2017년 12월 16일 (토) 22:51 판

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 및 효과

개발 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.

기대 효과

1. 자전거 도난 발생건수 감소
   • 도난감지, 알림을 통해 절도범에 주의를 주고 도난을 방지한다.
2. 사용자에게 심리적 안정감 부여
   • 어플리케이션으로 자전거의 위치를 실시간으로 확인하여 사용자에게 안정감을 준다.
3. 사용자에게 편리한 접근성
   • 수동적인 개폐 시스템을 자동화함으로써 자전거 이용 시 사용자의 편리성을 향상시킬 수 있다.
4. 따릉이와 연계한 사업
   • 추후에 서울시 무인 자전거 대여시스템인 따릉이와 연계하는 방향으로 사업화를 진행해본다.

개발 과제의 목표와 내용

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

1. 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.
2. 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

1. 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.
2. 스마트폰 어플리케이션
   • 자전거의 위치 확인, 자전거 알람 종료 등의 기능을 수행하는 어플리케이션을 제작한다. 어플리케이션은 핵심적인 기능을 중심으로 간편한 인터페이스가 되도록 제작한다.
3. 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

1. 아두이노 회로 제작
   • 자전거용 스마트 잠금장치는 디자인을 고려하려 제작할 것이다. 따라서 플렛폼으로 사용되는 아두이노 보드를 작고 깔끔한 디자인에 맞춰서 새로 제작한다.
2. 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 나타난 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

특허 전략

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

마케팅 전략

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

경제적 및 사회적 파급효과

구성원 및 추진체계

구성원 역할분담

세부 개발 일정표

추진 계통도

설계

설계 사양

개념 설계안

이론적 계산 및 시뮬레이션

조립도

조립도

조립 순서

부품도

제어부 및 회로설계

소프트웨어 설계

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

포스터

특허출원번호 통지서

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

향후 평가

부록

참고문헌 및 참고사이트

관련특허

소프트웨어 프로그램 소스

제약사항

최종 프로젝트 결과물

프로젝트 평가

팀원 역할 분담 및 평가

결과물 평가

느낀점