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2021년 12월 20일 (월) 04:17 판

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.

Figure1

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.

Figure2

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, 4

○ 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

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.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 가. State of the art

■ 수분 섭취량 자동 측정 텀블러

현재 실제 시장에 출시되어 있는 스마트 수분 측정 텀블러는 전부 수분 측정 기록을 위해 Bluetooth 연동 애플리케이션이 필요한 전용 측정기기이다. 또한, 스마트 텀블러 내부의 수위 센서 및 배터리 등 측정을 위한 전자제품은 모두 built-in 방식으로, 제공되는 텀블러에 내장형이다. 이 방식은 컵 내부에 센서들과 원활한 통신 가능 및 다양한 센서를 사용할 수 있고, 물을 담는 컨테이너의 크기가 미리 정의되어 있으므로 물의 양 측정이 용이하다는 장점을 가지고 있다.

● 적외선 센서 사용

텀블러 내부 컨테이너에 적외선 발광부와 수광부를 평행하게 설치해서 물이 있을 경우 수광부에서 받아들이는 빛의 세기가 약해지는 것을 이용해서 물의 높이를 측정하는 기술을 사용한 텀블러이다. 이는 텀블러 내부에 물에 직접 닿는 센서가 없기 때문에 비교적 침수로부터 안전하다는 장점이 있다.

Figure 8

● 센서 스틱 이용

텀블러 내부 중앙에 물이 닿는 곳에 긴 센서 스틱을 설치해서 이를 통해 수위를 측정하고, 물의 양을 계산하는 방식이다. 이러한 방식은 텀블러의 뚜껑 및 바닥 두 부분 중 선택해서 설치할 수 있고, 측정이 직관적이고 정확하다는 장점이 있다. 하지만, 센서 부분이 물에 직접 닿는 방식이므로 방수가 완벽하지 않으면 센서부가 침수될 수 있다는 단점이 있다.

Figure 9

● 로드셀 이용

텀블러 하단에 설치된 로드셀 센서를 이용해 물의 무게를 측정해서 물의 양을 측정한다. 수위를 측정하는 다른 제품들과 달리 무게를 측정하는 비교적 간단한 방법으로 물의 양을 측정하고, 무게가 작용하는 하단만 측정하면 되기 때문에 사용하는 센서의 개수를 줄여 크기를 작게 만들 수 있는 것이 장점이다.

Figure 10

■ 어플리케이션

● 사용자 기록형

전용 기기가 필요하지 않고, 애플리케이션 독립적으로 사용 가능하며, 사용자가 직접 통합 헬스케어 어플리케이션 혹은 수분 섭취 기록 어플리케이션에 수분 섭취량을 물을 섭취할 때마다 기록한다. 보통 1컵(0.25L) 혹은 1병(0.5L) 단위로 기록하며, 기록양은 커스터마이징이 가능하다. 목표 물 섭취량의 경우 사용자가 설정하거나 사용자의 체중, 신장 등의 정보를 입력하면 자동으로 목표를 설정해 주는 기능을 선택할 수도 있다. 또한, 사용자가 꾸준히 물을 마실 수 있도록 목표 달성 시 보상을 설정해 동기부여를 제공한다.

● 연동 스마트기기와의 자동 동기화형

수분 섭취 자동 측정 텀블러에 연동되는 전용 애플리케이션으로, 해당 텀블러를 통해 물을 섭취하면 자동으로 섭취량이 기록된다. 또한, 연동된 전용 기기의 장점으로, 섭취한 수분이 부족하거나 물을 마실 시간이 되면 기기의 led를 점등하는 등 사용자에게 알리는 기능이 있다. 이외에는 다른 헬스케어 어플리케이션과 동일하게 작동하지만, 사용자가 물을 마실 때 마다 앱에 기록해야 하는 번거로움이 줄어든다. 반면, 연동된 기기의 센서 성능에 따라 사용자 기록형 보다 낮은 정확도를 보이는 것이 단점이다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

내용

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

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

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

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특허 출원 내용

내용