"1조-세 공돌이"의 두 판 사이의 차이

2022년 6월 22일 (수) 01:11 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 로드셀을 활용한 무게 감지에 따른 자동주문 시스템

영문 : Automatic ordering system by weight-sensing using load cell)

과제 팀명

세 공돌이

지도교수

신동헌 교수님

개발기간

2022년 3월 ~ 2022년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20164300XX 이*호(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20164300XX 강*언

서울시립대학교 기계정보공학과 20174300XX 김X

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 프로젝트는 중소 규모의 사업장에서 사용자가 지정한 품목들의 효율적인 관리를 위하여 품목들의 사용량 정보를 데이터화 하여 사용자에게 보여주고 제품의 무게를 감지하는 시스템을 통하여 재고 소진율을 파악하고 주문이 필요한 품목들을 자동으로 주문할 수 있도록 구현하기 위해 아두이노-로드셀 모듈을 설계하고 이를 연동할 수 있는 PC 프로그램을 함께 개발하고자 한다.

개발 과제의 배경

제안배경

주변의 사물이 네트워크로 연결되어 다른 사물들과 상호작용하는 사물인터넷(IoT; Internet of Things)은 매우 빠르게 발전하고 있다. 리서치 전문회사 ‘마켓앤마켓’의 IoT 기술 시장 전망 보고서에 따르면 Iot 기술 시장 규모는 연간 6.7%씩 성장해 2027년에는 5,664억 달러에 이를 것으로 전망하고 있다. 하지만 현재 사물인터넷 서비스의 활용 분야는 특정 분야에 치중되어 있다. 2020년 사물인터넷 산업 실태조사에 따르면 사물인터넷 서비스 활용 매출액 중 건설/안전/환경이 30.1%, 교통이 21.2%, 제조 분야가 16.4%를 차지한다고 한다. 즉, 현재 대부분의 사물인터넷이 대규모 사업장을 대상으로 개발, 활용되고 있다고 할 수 있다.

또한, 2020년 사물인터넷 산업 실태조사의 결과에 따르면, 앞으로 사물인터넷이 도입, 확산될 가능성이 높은 산업 분야는 보건/서비스업이 16.3%, 전기/가스/수도산업이 12.6%, 금융 및 보험업이 10.4%를 차지하였다. 이에 비해, 이번 프로젝트의 대상으로 설정한 소매업의 경우에는 3.1%를 차지해 전체 13개의 분야 중 12위를 차지하였다.

이러한 조사 결과를 통해, 현재 상용화되고 있는 사물인터넷 서비스는 대부분 대규모 사업장을 대상으로 하고 있으며 앞으로 소매업에 도입하기 위한 연구 및 개발이 부족한 실정임을 알 수 있다.

하지만, 이러한 대규모 사업장이 아닌 중소규모의 사업장에서도 사물인터넷을 활용한다면 업무를 더욱 효율적으로 처리할 수 있다. 특히, 지속적으로 소모가 있는 제품을 관리해야 하는 경우 사물인터넷을 활용한다면 사람이 일일이 확인하지 않아도 수량을 파악할 수 있다.

현재 사용되고 있는 로드셀을 활용하여 재고의 수량을 파악하는 장치는 대부분 앞서 언급했듯이 대규모 산업을 위한 장치였다. 하지만, 같은 원리로 장치의 크기를 축소한다면 중소규모 사업장에서 충분히 사용할 수 있다고 판단했다. 또한, 작은 크기의 장치도 존재했지만 전용 쇼핑몰을 통해서만 상품의 구매가 가능해 사업주가 가격비교를 할 수 없다는 단점이 존재했다. 사업주의 입장에서 재고를 주문할 때, 가격비교를 통해 최저가로 구매하는 것이 이익을 창출할 수 있는 방안이기 때문에 최저가 상품을 선택하는 기능이 필요하다고 생각했다.

이러한 필요성에 주목하여 중소규모 사업장을 대상으로 제품의 재고를 파악하고 자동으로 부족한 수량에 대해 주문을 해주는 장치 및 PC 프로그램을 설계하고자 한다.

기대효과

본 프로젝트를 통해 지정된 제품의 무게를 측정하여 제품의 소모를 사용자에게 알려주는 장치 및 PC 프로그램을 제안한다. 해당 장치는 중소규모 사업장에서 사용할 수 있는 규모로 제작되어 기존 사업장을 변화시킬 필요없이 바로 사용할 수 있도록 제작한다. 또한, 함께 제공되는 PC 프로그램을 통해 제품의 수량이 특정 기준 이하로 측정될 경우, 별도의 주문과정 없이 자동으로 주문할 수 있어 사업 운영의 효율을 증가시킨다.

이를 통해, 중소규모 사업장에서 재고 관리 및 주문에 소모되는 시간과 인력 소모를 줄이고, 효율적으로 사업장 운영을 할 수 있도록 돕는다.

개발 과제의 목표 및 내용

개발목표

사용자가 지정한 품목에 대해 최대 150kg까지 0.2kg 내의 오차로 무게를 측정하여 PC로 전송할 수 있는 무게측정 모듈을 개발한다. 측정한 무게를 이용하여 중소규모 사업장에서 소모품, 부품, 원자재 등에 대한 효율적인 관리를 할 수 있도록 하는 PC 프로그램을 개발한다. 프로그램은 모듈로부터 전송받은 무게를 통해 사용량을 추적하여 사용량에 대한 통계를 제공하는 기능과 물품이 얼마 남지 않았을 때 모두 소진되기 전 자동주문을 하는 기능을 포함한다. 본 과제의 개발단계에서는 대상 품목을 생수로 정하고, 생수의 무게가 10kg 이하가 되었을 때 자동주문을 하는 것으로 한다.

개발내용
- 무게 측정 및 데이터 전송

아두이노와 로드셀을 이용하여 무게를 측정하고 측정한 데이터를 PC에 전송하는 장치를 개발한다. 최대 150kg의 무게를 0.2kg내의 오차로 측정할 수 있도록 한다. 이 때 통신방법은 Bluetooth와 Wi-Fi중 적합한 것을 선택한다. 로드셀, 로드셀 증폭기, 아두이노, 배터리를 포함한 하나의 회로를 구성한다.

케이스 제작

앞서 설계한 회로를 부착하고 무게를 측정할 때 생수를 올려놓을 케이스를 설계하고 3D프린터를 이용하여 제작한다. 케이스에 올려놓은 생수의 무게가 모두 로드셀에 전달되도록 설계하고, 구조해석을 통해 최대 150kg의 하중을 버틸 수 있도록 설계한다

PC 프로그램 개발

사용량 통계 제공 : 무게측정 모듈를 통해 측정된 무게를 기록하여 일간, 주간, 월간 등 생수 사용량에 대한 통계를 제공한다.

자동주문 : 생수가 10kg 이하가 되었을 때 사용자에게 알림을 주고 사용자가 미리 등록해놓은 제품명을 통해 자동으로 상품을 검색하고 주문하도록 하여 재고가 떨어지지 않도록 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황
- 사물인터넷 (Internet of Things)

사물인터넷(Internet of Things, IoT)은 사물들의 주변의 다른 사물과 네트워크를 통해 연결되어 서로 상호작용하는 기술 및 서비스를 말한다. 사물인터넷의 기반은 각종 센서라고 할 수 있다. 사물에 설치된 센서를 통해 수집한 데이터를 취합, 분류, 분석하여 의미있는 정보를 생성하고 공유한다.

현재 사물인터넷 기술은 유무선 네트워크 기술과 인공지능, 데이터 처리 기술이 발전함에 따라 함께 발전해 국내외에서 많은 연구 및 개발이 이루어지고 있다. 가정의 가전제품, 보안장치 등을 연결하는 ‘스마트 홈’에서부터 에너지 공급망을 관리하는 ‘스마트 그리드’, 도시의 각종 데이터를 통해 도시를 효율적으로 관리하는 ‘스마트 시티’까지 다양한 분야에 걸쳐 사물인터넷이 활용되고 있다.

또한, 사물인터넷의 기술 발달과 함께 사물인터넷의 기술적인 기반을 제공하는 IoT 플랫폼 역시 계속해서 개발되고 있다. IoT 플랫폼을 개발하는 업체는 기업과 사용자에게 자신들의 플랫폼을 오픈해 다양한 장치를 연결해 테스트해볼 수 있는 환경을 제공하고 있다.

로드셀(Loadcell)

로드셀(Loadcell)은 힘 또는 하중과 같은 물리량을 측정할 수 있는 센서다. 로드셀에 힘이 가해지면 그 힘만큼 전기 신호가 발생하고 이를 통해 가해진 힘, 하중을 측정하는 것이다. 로드셀의 표면에는 스트레인 게이지(strain gage)가 붙어있는데 로드셀에 힘이 가해지면 스트레인 게이지가 함께 변형된다. 이에 따라 스트레인 게이지의 저항값이 변함에 따라 전기신호가 변화하는 것이다. 로드셀은 다른 센서에 비해 비교적 가격이 저렴하고 수명이 길다는 장점이 있어 보편적으로 사용되게 되었다.

스트레인 게이지(strain gage)

스트레인 게이지는 로드셀의 핵심이 되는 장치로 물체의 스트레인, 즉 변형을 측정하는 데 사용되는 저항형 센서다. 스트레인 게이지는 일반적으로 아래와 같은 구조를 보인다.

그림2

가운데 위치한 금속저항체가 스트레인 게이지의 핵심이라고 할 수 있다. 이 금속저항체에 힘이 가해지면 단면적에 변화하면서 저항값이 변화하게 된다. 이 저항값의 변화로 인해 측정되는 전기신호가 달라지는 것이다.

로드셀의 구조와 원리

로드셀은 앞서 설명한 스트레인 게이지를 활용하여 힘을 측정할 수 있는 센서다. 부착된 스트레인 게이지에 힘이 가해지면 로드셀과 함께 스트레인 게이지가 늘어나거나 수축된다. 이러한 변화에 의해 스트레인 게이지의 저항값이 변화하고 측정되는 전기신호가 변하는 것을 이용하여 하중을 측정하는 것이다. 로드셀의 구조는 아래와 같다.

그림3

위의 이미지에서 볼 수 있듯이 하나의 로드셀에는 4개의 스트레인 게이지가 부착되어 있다. 하나의 스트레인 게이지만 있어도 힘을 측정할 수는 있다. 하지만 하나의 스트레인 게이지만 사용하면 출력되는 전기신호가 매우 작고 오차가 발생한다. 그렇기 때문에 스트레인 게이지를 로드셀의 인장 및 압축 방향으로 각각 2개씩 부착하여 로드셀을 제작한다.

로드셀의 종류

로드셀의 종류는 형태에 따라 크게 빔형, 원주형, S자형, 다이아그램형의 4가지 종류로 구분된다. 각 형태별 로드셀은 아래의 모습과 같다. 아래의 로드셀이 가장 기본적인 형태이며, 이 외에도 다양한 형태의 로드셀을 제작할 수 있다. 일반적으로 하중을 측정할 때 가장 많이 사용되는 형태는 ‘빔형 로드셀’이다.

표1

아두이노

아두이노는 오픈 소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로 컨트롤러로 완성된 보드와 관련된 개발 도구 및 환경을 말한다. 아두이노는 다수의 스위치나 센서로부터 데이터를 받아, LED나 모터와 같은 외부 장치를 통제해 상호작용할 수 있도록 한다. 아두이노 통합 개발환경(IDE)를 제공하며, 오픈 소스이기 때문에 여러 가지 프로젝트를 수행할 수 있다.

아두이노의 보드는 8비트 AVR 마이크로 컨트롤러와 프로그래밍 및 다른 서킷과의 결합을 용이하게 해주는 부속품으로 구성되어 있다. 현재 Uno와 같은 주요 모델은 14개의 디지털 I/O핀을 제공하고 있다. 이 중 6개의 핀은 PWN(pulse-width modulated) 신호를, 다른 6개의 핀은 디지털 I/O핀으로 혼용이 가능한 아날로그 입력 단자다.

아두이노는 크기, 입출력 단자의 개수, 부가적인 기능 등에 따라 다양한 모델이 있다. 그 중 대표적으로 활용되고 있는 종류는 아래의 표와 같다.

표2

블루투스(Bluetooth)

블루투스는 디지털 통신 기기를 위한 개인 근거리 무선 통신 산업 표준을 말한다. 2.4~2.485GHz의 단파 UHF 전파를 이용해 전자 장비 간 통신을 통해 정보를 주고받는다. 현재 개인용 컴퓨터에서 사용하는 마우스, 키보드를 비롯해, 휴대전화 및 스마트폰, 태블릿, 스피커 등에서 문자 정보 및 음성 정보를 비교적 낮은 속도로 무선 통신하는 용도로 사용되고 있다.

2016년 사물인터넷 기술에 초점을 맞춘 블루투스 5가 소개되었다. 또한, 코로나 19로 인한 팬데믹을 겪으며 감염병 위험에 대한 노출을 최소화하면서 진료 방식 개선을 위한 의료기기에 대한 솔루션으로 블루투스 기술이 각광받고 있다. 또한, 재택 근무가 증가하는 추세에 따라 블루투스 PC 액세서리 시장이 계속해서 성장하고 있다

와이파이(Wi-Fi)

와이파이는 무선 통신 표준 기술 중 하나 인 IEEE 802.11에 기반한 서로 다른 장치들 간의 데이터 전송 규약을 말한다. 일반적으로 부채꼴 모양의 아이콘으로 Wi-Fi를 나타내며, 부채꼴을 통해 신호의 강도를 표현한다.

와이파이를 사용하기 위해서는 무선 인터넷 공유기가 필요하다. 데이터 전송 규약인만큼 표준만 준수한다면 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, 컴퓨터, 노트북 등 어떤 장치에서도 사용이 가능하다. 와이파이의 상용화에 따라 현재에는 휴대용 기기 외의 다양한 가전 제품에서도 와이파이를 지원하고 있다.

와이파이는 일대다 통신 방식을 사용하기 때문에 연결된 장치가 증가하면 전송속도는 반비례하여 감소한다. 또한, 근거리 통신을 전제로 제정된 규약이기 때문에 커버리지는 개활지를 기준으로 200m 정도이다.

와이파이의 버전은 802.11 뒤에 붙은 알파벳으로 구분된다. 모바일 기기의 보급이 증가함에 따라 와이파이가 함께 발달되었다. 또한, 최근에는 사물인터넷의 발달로 속도와 효율성을 모두 만족해야 하는 와이파이의 필요성이 대두되고 있다. 2019년 이러한 필요성에 의해 등장한 ‘와이파이 6(IEEE 802.11ax)’는 다중 사용자, 다중 입출력 기술을 활용하여 여러 장치가 동시에 연결되어도 속도 저하를 막을 수 있다.

기술 로드맵

그림4

특허조사 및 특허 전략 분석

표3

포장용기 재고 데이터베이스를 주기적으로 모니터링하여 자동으로 재고 부족 포장용기 주문을 추천할 수 있는 포장용기 자동 주문발주 장치를 제공하고자 한다.

재고 부족 포장용기의 종류를 기초로 포장용기 주문 입찰 문서를 생성하고 적어도 하나의 포장용기 발주처에 의한 가격 입찰을 기초로 특정 포장용기 발주처 정보를 추천에 포함시킬 수 있는 사용자 맞춤형 자동 발주 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.

표4

냉장고에 저장되는 식품의 상태정보의 입력이 가능하고 감지한 현재 보관량 및 상기 식품정보가 표시되는 표시부를 포함하는 동시에 상기 보관량이 최소 요구량 미만인 경우 인터넷 냉장고에 주문 요청 신호 또는 주문 실행 신호를 출력하는 마이크로 프로세서를 갖추는 식품 용기가 상기 인터넷 냉장고와 연동하여 동작됨에 따라 상기 인터넷 냉장고의 외관에 부착된 디스플레이 수단을 통해 상기 식품의 주문을 요청하거나 자동 접속하여 식품 주문을 실행하는 인터넷 냉장고의 식품 자동 주문 시스템을 제공하는 데 있다

표5

쌀통 내의 쌀 재고량을 측정하여 기준량 이하로 쌀이 남아있는 것으로 감지되었을 때, 통신망을 통해 쌀 공급업체에 배달주문이 자동으로 이루어지도록 하는 쌀통 재고량 관리를 위한 데이터통신 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다

거절사유 : 인용한 발명과 기술적으로 큰 차이가 없고 이를 이용해서 해당 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 발명할 수 있 는 것

표6

소모품의 무게 측정을 통하여 소모품 잔량을 실시간으로 확인하고 발주하여 소모품 재고를 관리할 수 있도록 하는 소모품 자동발주 시스템을 제안하고자 한다.

거절사유 : 인용발명 쌀 수납장치 및 이 장치를 이용하여 쌀의 재고량을 관리하는 시스템을 통상의 기술자가 단순 설계 변경하여 쉽게 도출 가능한 시스템임

특허전략

특정 물품에 대해 자동주문을 하는 시스템에 관한 특허는 이미 과거부터 출원된 것들이 존재했다. 그 특허들을 살펴보면, 먼저 1) 포장용기 자동 주문발주 장치는 무게가 아닌 전산을 통해 남은 수량을 파악하고, 별도의 프로그램을 통해 공급사와 사용자에게 각각 알림이 가게 된다. 하지만 본 과제에서는 재고 파악에 무게를 이용하며, 자동 주문에는 오픈마켓을 이용하기 때문에 근본적으로 작동원리가 달라 문제가 되지 않을 것으로 보인다.

재고 파악에 무게를 이용한 특허들도 존재했는데, 2) 인터넷 냉장고의 식품 자동주문 시스템은 2002년에 출원된 특허로 이미 그 특허가 소멸되었다. 3) 쌀 수납장치 및 이 장치를 이용하여 쌀의 재고량을 관리하는 시스템의 경우에는 특허가 거절되었는데, 인용한 일본의 특허와 기술적으로 큰 차이가 없고, 해당 기술분야에서 통상의 기술자가 일본의 특허를 이용하여 쉽게 개발할 수 있다는 이유 때문에 거절되었다. 4) 소모품 자동발주 시스템은 3) 쌀 수납장치를 인용하였는데, 이 역시 인용한 특허를 통해 쉽게 도출 가능한 시스템이라는 이유로 특허 출원이 거절되었다.

따라서 국내에서는 본 과제를 통해 개발된 제품을 판매하는 것에 대해 특허상 문제가 없을 것으로 사료되며, 해외에서의 판매에 대해서는 조금 더 면밀한 조사가 필요하다.

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

표7

국내와 해외에 모두 무게를 측정하여 재고를 파악하고 자동주문을 하는 비슷한 제품이 있었다. 아마존의 smart dash smart shelf는 개인 및 기업을 목표 고객으로 하고 세계 최대의 유통 플랫폼인 아마존을 이용하는 것이 특징이며, 3개의 크기 옵션을 제공한다. 아마존 제품의 가격 19.99달러는 가격 책정에 있어서 기준점이 될 수 있을 것이다. 아마존 내의 상품만 주문 가능하다는 점이 이 제품의 최대 장점이자 단점이다. 국내 등 아마존이 진출하지 않은 곳에서는 아마존을 이용하기 힘들기 때문에 비교우위를 가질 수 있을 것이다

국내 회사인 트라이포드랩의 weightrip은 개인 및 기업을 목표고객으로 하고, 많은 수익을 낼 수 있는 정기구독을 지향한다. 하지만 실제 제품 판매 페이지나 회사 홈페이지 등이 없어 자세한 정보를 찾아볼 수 없었다.

올트 역시 국내 회사로 IoT Smart Scale은 경쟁제품 중에서 가장 강력한 기능을 지원한다. 경쟁 제품들과 달리 최대 25개 종류의 부품을 적재하고 무게 측정의 정밀도가 높아 소형 부품의 수량도 정확하게 파악할 수 있다. 각 저울별로 품목 개수와 위치가 확인이 가능하며, 저울마다 LED가 있어 불출지시가 가능하다. 기업들을 대상으로 하며, 일반적으로 사용할 수 있는 제품은 아니고 올트의 자체 솔루션으로 자사에서 판매하는 소모품(볼트, 너트 등)만을 대상으로 사용할 수 있는 제품이라는 한계가 있다. 일반적으로 사용할 수 있는 자유도 면에서 비교우위를 가지지만 올트사가 사업을 확장한다면 강력한 경쟁자가 될것이다

마케팅 전략 제시

그림5

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 ====시장상황에 대한 분석====
 *경쟁제품 조사 비교
-내용
+[[파일:Example.jpg]]표7
+:국내와 해외에 모두 무게를 측정하여 재고를 파악하고 자동주문을 하는 비슷한 제품이 있었다. 아마존의 smart dash smart shelf는 개인 및 기업을 목표 고객으로 하고 세계 최대의 유통 플랫폼인 아마존을 이용하는 것이 특징이며, 3개의 크기 옵션을 제공한다. 아마존 제품의 가격 19.99달러는 가격 책정에 있어서 기준점이 될 수 있을 것이다. 아마존 내의 상품만 주문 가능하다는 점이 이 제품의 최대 장점이자 단점이다. 국내 등 아마존이 진출하지 않은 곳에서는 아마존을 이용하기 힘들기 때문에 비교우위를 가질 수 있을 것이다
+:국내 회사인 트라이포드랩의 weightrip은 개인 및 기업을 목표고객으로 하고, 많은 수익을 낼 수 있는 정기구독을 지향한다. 하지만 실제 제품 판매 페이지나 회사 홈페이지 등이 없어 자세한 정보를 찾아볼 수 없었다.
+:올트 역시 국내 회사로 IoT Smart Scale은 경쟁제품 중에서 가장 강력한 기능을 지원한다. 경쟁 제품들과 달리 최대 25개 종류의 부품을 적재하고 무게 측정의 정밀도가 높아 소형 부품의 수량도 정확하게 파악할 수 있다. 각 저울별로 품목 개수와 위치가 확인이 가능하며, 저울마다 LED가 있어 불출지시가 가능하다. 기업들을 대상으로 하며, 일반적으로 사용할 수 있는 제품은 아니고 올트의 자체 솔루션으로 자사에서 판매하는 소모품(볼트, 너트 등)만을 대상으로 사용할 수 있는 제품이라는 한계가 있다. 일반적으로 사용할 수 있는 자유도 면에서 비교우위를 가지지만 올트사가 사업을 확장한다면 강력한 경쟁자가 될것이다
 *마케팅 전략 제시
-내용
+[[파일:Example.jpg]]그림5
 ===개발과제의 기대효과===