4조 - 호호s

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

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.

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 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

<선행 기술 1>
출원 번호	10-2010-0009817	출원인	추숙희, 라신종
특허명칭	위치추적 기능과 RF카드 인식 기능을 갖는 자전거 거치 장치
개요도
내용	무선통신망을 통해 통합관리 서버 시스템과 연결하여, RF카드 리더 모듈로부터 잠금장치의 상태 정보와 사용자 정보를 전송받아 통합관리 할 수 있고, GPS송수신 모듈이 장착되어 자전거의 현재 위치와 분실 또는 도난시 위치를 쉽게 파악할 수 있다. 와이어를 손쉽게 당길 수 있고 당겼다가 놓으면 자동으로 감기는 와이어 자동 감김 장치를 사용하여 쉽게 자전거를 주차할 수 있도록 하는 위치추적 기능과 RF카드 인식 기능을 갖는 자전거 거치 장치에 대한 것이다.

<선행 기술 2>
출원 번호	10-2009-0133478	출원인	주식회사 센스큐브
특허명칭	자전거 거치대의 잠금시스템 및 그 해제방법
개요도
내용	태양광을 이용해 전력을 발생하여 전원을 공급하는 전원수단과, 거치대에 거치되는 자전거의 압력을 감지하는 압력센서와, 오픈 스위치 역할을 하는 텍트 스위치와, 요입부에 진입한 자전거를 잠그거나 잠금을 해제하는 걸림쇠와, 정역 회전에 의해 상기 걸림쇠를 전진 또는 후퇴하는 모터와, RGB의 LED로 구성되는 발광부와, RFID MCU로 구성되어 있다. RFID 카드를 인식하여 RFID를 독출하고 저장하되, 상기 감지신호가 입력되고 RFID 카드가 인식되는 경우에 모터를 제어하여 잠금 상태가 되도록 하고, 잠금 상태에서 택트스위치의 신호가 입력되고 RFID 카드가 인식되면 저장 RFID와 새롭게 독출한 RFID를 비교하여, 동일 한 경우에 모터를 제어하여 잠금 상태를 해제하는 RFID MCU로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

특허 전략

• 특허 등록을 위하여 신규성, 진보성을 만족해야 하며 선출원주의에 따라 출원 전 동일한 발명의 출원을 확인하여 보았다. 조사 결과 계획과 동일한 특허는 없었다. 신규성, 선출원주의는 만족할 수 있음으로 보이나 비슷한 내용의 기술을 사용하는 특허가 존재하여 진보성과 관련하여 문제가 될 가능성이 있다.
• 선행기술 1은 위치추적 기능과 RF카드 인식 기능을 갖는 자전거 거치 장치에 관한 내용이 개시되고, 선행기술 2는 자전거 거치대의 잠금시스템 및 그 해제방법에 관한 내용이 개시되어 있다는 점에서 일부 유사성이 존재하고 것으로 보인다. 직접적으로 대응되거나 완전히 동일하다고는 할 수 없으나, 선행기술 1은 RFID 태그가 내장된 RF카드, 자전거의 위치추적 기능, 와이어 자동 감김 장치를 제공한다는 점, 선행기술 2는 RFID 카드를 이용한 자전거 거치대의 잠금 시스템 구성이 제공된다는 점에서 일부 유사성이 인정되므로, 추후 출원 진행 시에는 이러한 부분을 유의하여 작업이 진행되어야 할 것으로 판단된다.
• 특허등록가능성을 위하여, 자전거 잠금장치의 구체적인 기계부 도면과 자전거 페달을 밟을 때 에너지를 이용하는 등의 자가발전에 의한 구성 등의 추가적인 차별점을 두어야 할 필요성이 보인다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

지기(Jeegy)

• Advantage

⋅ 비교적 눈에 띄지 않음 디자인

⋅ 가방 등에도 활용 가능한 디자인

⋅ 핸드폰 찾기, 주행거리 기록 등 부가기능 수행

• Disadvantage

⋅ 잠김 기능 부재

⋅ 위치 확인 기능 부재

• Review

⋅ 심미적으로는 우수하나 기능적으로 부족한 점이 많다.

디퍼 락(Deeper Lock)

• Advantage

⋅ 태양광 충전으로 자체 충전 가능

• Disadvantage

⋅ 투박한 디자인

⋅ 630g의 무거운 무게

⋅ 약 20만원에 달하는 가격

• Review

⋅ 아쉬운 점이 많지만 기능상 가장 우수한 제품이라고 평가

⋅ 무게와 가격은 소비자들의 구매 욕구를 멈추게 하는 요소

린카(LINKA)

• Advantage

⋅ 곡선으로 이루어진 외형, 깔끔한 디자인

• Disadvantage

⋅ 부족하다고 느낄 수 있는 기능

• Review

⋅ 디자인적으로 벤치마킹 가능한 제품

셜록(Sherlock)

• Advantage

⋅ 외부에서 볼 수 없는 내장형 디자인

• Disadvantage

⋅ 물리적 잠금 기능 부재

⋅ 탑재 가능한 형태인 자전거 필요

⋅ SIM카드의 사용으로 추가적인 통신비용

• Review

⋅ 외부에서는 볼 수 없는, 디자인 측면으로는 가장 우수한 제품이라고 평가됨

⋅ 자전거 좌우의 무게 비대칭의 고려가 필요

마케팅 전략

SWAT analysis

• Strength

⋅ 거북하지 않고 깔끔한 디자인

⋅ NFC를 이용한 직관적이고 편리한 개폐

⋅ 탄탄한 기능 구성

• Weakness

⋅ 3G 통신으로 소비자의 추가 지출

⋅ 전력소비, 충전문제

⋅ 좋은 내구성, 가벼운 무게, 높은 가성비의 공존이 불가능

• Opportunity

⋅ 대중적인 제품의 부재

⋅ 자전거 시장의 확대

⋅ 고가 자전거 이용자의 증가

• Threat

⋅ 경쟁 제품이 우후죽순으로 나오는 상황

⋅ 따릉이 등 자전거 공유 사업 활성화로 개인 자전거의 필요성 감소

	O	T
S	Strength-Opportunity Strategy ⋅ 대중적인 유사 제품이 없기 때문에 친숙한 디자인과 기능으로 소비자에게 다가간다. ⋅ 기존의 잠금장치 사용으로도 도난을 막기 힘들다는 것을 강조한다.	Strength-Threat Strategy ⋅ 강점을 기반으로 자전거 업체, 서울시(따릉이) 등과 협력하여 시장에서의 입지를 다진다. ⋅ 탄탄한 기능과 디자인을 바탕으로 소비자에게 어필한다.
W	Weakness-Opportunity Strategy ⋅ 소비자가 옵션으로 3G or Wifi, 자전거 발전기 등을 선택할 수 있도록 한다. ⋅ 유사 제품들 보다 좋은 가성비를 목표로 개발한다.	Weakness-Threat Strategy ⋅ 자물쇠 이외에 자전거 거치대 등의 개발을 고려한다.

BMS (Business Model Canvas)

구성원 및 추진체계

구성원 역할분담

팀원 명	역 할
김현우	팀장
송지원	2
이용희	3
신현호	4

세부 개발 일정표

추진 계통도

결과 및 평가

완료 작품의 평가

기능	평가항목	평가방법	적용기준	개발 목표치	비중(%)
사용자 인증	NFC 태그 인식	NFC 태그 10회 접촉	성공횟수*10점	90	15
	ID 삭제ㆍ등록	ID 삭제ㆍ등록 10회	성공/실패	성공	10
도난 방지	도난 감지	충격 10회	성공횟수*10점	70	10
		이동 10회	성공횟수*10점	70	10
	푸시 알림	도난 감지 후 알림 확인	성공/실패	성공	15
	지도 표시	GPS 오차 범위 내에서 표시 확인	성공/실패	성공	10
	알람 끄기	앱을 통한 알람 끄기 제어	성공/실패	성공	5
디자인	개폐 수행	개폐 수행	성공/실패	성공	15
	디자인	팀원 평가	팀원 점수 평균	70	10