H.P

프로젝트 개요

기술개발 과제

감압식 센서를 이용한 도난방지패드 Anti-theft Pad using Force-Sensing Resistor

과제 팀명

H.P

지도교수

홍완식 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학부·과 20164500** 방** (팀장)

서울시립대학교 신소재공학부·과 20164500** 김**

서울시립대학교 신소재공학부·과 20164500** 안**

서울시립대학교 신소재공학부·과 20164500** 이**

서울시립대학교 신소재공학부·과 20164500** 최**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 개발 과제는 감압센서를 이용하여 무게의 변화를 감지해 사용자에게 알림이 감으로써 도난의 방지를 목표로 한다. 무게를 이용하는 특성상 물체의 종류에 상관없이 변화의 감지가 가능해 사용 범위가 매우 넓을 것으로 예상한다. 도서관이나 카페 등 사람들이 많이 이용하는 공공장소에서 상당한 효과가 있을 것이라 기대한다.

본 과제에서는 센서가 압력의 변화를 감지하면 수신기로 신호를 보내고, 이 수신기에서 진동이 울려 사용자에게 알림이 가는 것을 목표로 한다. 패드 위의 물건이 없어지면 패드에 가해지는 압력이 변하고 이는 작은 면적을 가진 감압센서에 전달된다. 수신기는 평상시에 패드에 결합되어 있다가, 사용 시에 분리하고 전원을 켠다. 패드와 수신기의 무선연결은 자동으로 이루어지며, 송수신 거리도 실생활에서 사용할 때 제한이 없도록 길게 설계한다. 패드와 수신기 모두 휴대가 용이하도록 그 구조를 디자인한다.

개발 과제의 배경

휴대폰, 태블릿 PC, 무선이어폰 등 고가의 전자기기들의 보급률이 높아짐에 따라 도난사고에 대한 노출도 높아져서, 도난사고 빈도가 해마다 증가하고 있다. 그러나 기존 시중에 나와 있는 켄싱턴 락, 적외선 활용 도난방지 기술 등의 도난방지용 제품은 사용방법이 번거롭고 비효율적이다. 우리는 본 과제를 통해 FSR(Force Sensing Resistor)을 활용하여 기존의 제품보다 더 간단하고 편리한 방식의 도난방지 장치를 만들고자 한다. 이때 장치 제작에 있어 센서의 수를 최소화하고 구조적 단순화를 통해 경량화와 제작비용의 절감을 얻고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

감압센서의 활용: 본 디자인에서는 부피가 작으면서, 물체들의 변화를 무게 변화로 한꺼번에 파악할 수 있는 감압센서를 사용했다. 감압센서에서 센서에 가해지는 무게와 센서에서 출력되는 출력값의 관계는 1차 정비례 직선 형태가 아닌, 지수 형태이다. 알람이 울리는 정확한 기준을 정하기 위해서는, 이 곡선을 파악해야 할 필요가 있다. 이를 통해, 무게가 변화했을 때 센서에서 출력되는 값과 곡선의 수치와 비교하여 알람 발생 여부를 판단하고자 한다.

본체: 본 디자인은 최소한의 센서 개수로 최대한 많은 물체를 한 번에 파악할 수 있어야 한다. 이를 위해서는, 넓은 면적의 본체에 올려진 물체들의 무게가, 온전히 센서로 전달될 수 있도록 하는 효율적인 구조를 구상할 필요가 있다. 본체는 또한 여러 편리 기능을 포함하면서도 휴대하기 쉬워야 한다. 이를 위해서는 디자인의 부피가 작아야 함은 물론이고, 본체를 구성하는 재질이 가벼워야 한다.

수신부: 수신부는 본체에서 오는 신호에 따라서 사용자에게 알람을 주는 장치이다. 이를 위해서는 실용적인 무선통신 거리를 확보해야 하는 동시에, 사용자에게 확실하게 알람을 주는 수단이 있어야 한다. 이때 여러 도난 상황을 가정하고, 그 상황에 모두 알람이 울리도록 알고리즘을 구성한다. 마지막으로 이 모든 기능을 유지시키는 배터리도 내장된 상태로, 수신부의 크기를 최대한 작게 구성하여 휴대성을 높인다.

관련 기술의 현황

State of art

◇‘ADT 캡스’사의 RFID를 이용한 상품도난방지 시스템

상품에 부착된 라벨이 판매대에서 제거되지 않은 체 입구를 지나가게 되면 입구에 설치된 안테나가 이를 감지하여 도난을 알리게 된다. 58kHz의 저주파수 운용으로 감지력이 좋고 단일 주파수로 주변 간섭이 적으며 안테나 간 감지 폭이 최대 2.5m의 기능을 수행한다.

◇‘Smart Water’사의 액체를 이용한 미술품 도난방지 시스템

미술품에 영향이 없는 특수한 액체를 도포시키는데 이는 자외선을 쬐게 되면 형광색 빛을 내는 성질을 지니고 있다. 이를 통해 미술품 도난 발생 시 경로 추적에 사용되고 도난범에게 묻을 시 법적 증거물로써 사용할 수 있다. 실제로 이라크 박물관의 약 273,000여 개의 미술품에 적용 중인 시스템이다.

◇‘Kensington’ 사의 노트북 도난방지 제품 - ‘켄싱턴 락’

이는 ‘켄싱턴 락 홀’이 있는 노트북에 적용 가능하며 그 홀에 자물쇠 형태의 와이어를 연결하여 도난을 방지해준다.

기술 로드맵

◇ 코로나 시대가 도래하며 무인점포와 무인 카페가 늘어남에 따라 개인 물품 절도에 대한 취약성은 높아지고 있다. 또한, 무선이어폰, 스마트폰, 노트북 등 고가의 개인 휴대 물품의 종류가 증가하는 추세다. 이러한 상황 때문에 공공장소 및 카페, 도서관 등에서 다양한 종류의 개인 물품의 도난을 방지하는 대책 마련이 필요한 실정이다. 대책 마련을 위한 제품은 먼저 휴대용 물품에 사용되기 때문에 똑같이 휴대성이 좋아야 한다. 그리고 다양한 형태의 개인 물품을 효과적으로 인식할 수 있어야 한다.

특허 조사

◇‘도난방지 패드(Anti-theft pad)’

카페나 공원 등의 공공장소에서 개인 물품의 도난 방지를 위한 특허이다. 패드 형태를 띠고 있고, 패드 안에는 적외선 센서와 타이머, 블루투스와 도난을 알리는 경보기가 내장되어있다. 적외선 센서를 통해 패드 위의 개인 물품을 감지하고 개인 물품이 일정 거리 이상 떨어졌을 때 타이머의 입력된 시간이 초과하면 도난으로 판단하여 경보를 울려 도난을 알리는 시스템이다.

특허 전략

◇ 상기 특허는 적외선 센서를 통한 도난방지 시스템이다. 그리고 휴대용 개인 물품의 도난을 방지하기 때문에 이러한 특허 또한, 높은 휴대성이 요구된다. 그러나 이 특허는 적외선의 출력부와 수광부 사이 공간에 있는 물체만 감지하기 때문에 면적 전체를 효과적으로 감지하지 못할 뿐만 아니라 면적 대비 감지할 수 있는 물체 개수에 한계가 있다. 이 때문에 휴대성이 높아지려면 패드가 작아져야 하지만 이에 따라 감지할 수 있는 물체 개수도 줄어드는 모순이 발생하게 된다. 이러한 모순을 감압센서를 통해 해결하고자 한다. 감압센서를 통한 물체 무게 인식으로 면적 대비 더 많은 물품을 인식하여 휴대성과 성능을 키울 수 있다. 이를 통해 신규성을 확보하고자 한다.

◇ 감압센서를 사용할 때 센서 면적보다 큰 면적의 물체를 올려놓으면 센서가 효과적으로 무게를 감지하기 어렵다. 이뿐만 아니라 센서가 없는 공간에 물체가 위치하면 이를 감지하지 못하게 되는 문제가 발생한다. 이러한 어려움을 패드 위의 물체 무게를 효과적으로 감지하는 구조로 해결하고자 한다. 본체 상부 판에 달린 작은 tip이 내부 센서와 맞닿음으로써, 패드 위에 물체가 어떤 위치에 있더라도 무게를 효과적으로 감지하고자 한다. 이러한 구조를 통해 진보성을 확보하고자 한다.

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

마케팅 전략

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 본 제품은 공공장소 등에서 사용할 수 있는 휴대용 도난방지용 패드로, 물체(소지품 등)가 이동 시 사용자에게 즉각적으로 알림을 보내 도난 사고를 방지한다.

◇ 본 제품은 패드와 도난감지 알람 수신기가 탈부착이 가능한 형태로 구성되고, 단 하나의 감압센서를 활용하여 소형화된 구조로 보관 및 휴대에 용이하다. 

◇ 본 제품은 감압센서의 감지 정확도와 작동의 안정성을 높이기 위한 구조를 지니고, 최소한의 센서로 최대한의 물건을 감지할 수 있는 효율적인 방식으로 설계되어있다. 이러한 구조가 다른 감압센서를 사용하는 제품군에도 응용됨으로써 기술적 효율 향상이 기대된다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 코로나 바이러스로 인한 정부의 방역 조치 강화로 300인 이상의 학원이 문을 닫으면서 공부할 곳을 찾아 카페, 도서관, 스터디 카페를 찾는 고객들이 많아짐에 따라 귀중품의 도난을 우려하는 사람도 많아졌다. 이에 ‘켄싱턴 락’ 등의 제품을 사용하여 도난을 방지하는 경우가 존재하나, 이는 사용이 매우 번거롭고, 여러 물건에 동시에 사용하긴 어렵다는 단점이 있다. 본 제품은 비교적 직관적이고 간편한 방법으로 도난을 방지할 수 있어, 도난 사고 위험을 크게 줄일 수 있다. 

◇ 시장조사업체에 따르면 작년 2분기 전 세계 태블릿 출하량은 지난해 같은 기간대비 26% 증가한 3750만대로 집계되었다. 또한, 무선이어폰 시장은 2016년대에 100만대 규모에 불과하였지만 2019년 1억700만대로 100배 이상 성장하였다. 소비자들은 고가인 핸드폰에는 분실보험을 통해 도난 또는 분실 시 어느 정도 피해를 예방하고 있지만, 태블릿이나 무선이어폰은 별다른 대책이 없는 상황이다. 게다가 상시 휴대하는 핸드폰에 비해 카페나 도서관 등 공공장소에서 놓고 다니는 일이 빈번하여, 더더욱 도난의 위험에 노출되어있다. 본 제품은 비교적 적은 비용(3만 원 이내)으로 공공장소에 도입하기 쉽게 함으로써, 도난 피해를 예방할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 방준호(조장) : 회로 설계, 재료 구매 및 조사, 예산 관리 담당자
◇ 김민재 : 소프트웨어 및 회로 설계 담당자
◇ 안상혁 : 실험 데이터 수집 및 분석 담당자
◇ 이동언 : 디자인 및 세부 설계, 제품 제작 담당자
◇ 최재영 : 디자인 구체화, 실험 설계 및 오차 수정 담당자

설계

설계사양

제품의 요구사항

제품 평가내용

◇ 본 제품은 패드 위 무게 변화를 전기신호로 변환하여 도난을 방지하는 제품이다. 특정 무게 이상의 개인 물품을 패드 위에 올려놓고 도난 상황을 가정해 물건을 가져갔을 때 감압 센서가 이를 인식해 전기신호를 회로에 전달하는지 평가한다.

◇ 패드 상부와 하부의 접착 모서리인 Dead Zone을 제외한 패드 위 어느 지점에 힘이 가해져도 인지가 가능해야 한다. 임의의 좌표를 생성하여 그 지점에 물건을 올려놓고 1번의 상황을 평가한다.

◇ 100m 거리 안에서 임의의 장애물(콘크리트 벽, 유리문)을 사이에 두고 수신기에 안정적으로 신호가 전달되는지를 평가한다.

◇ 1.5kg 미만의 물체를 사용하여 제품을 작동하는 실험을 반복해서 내구성에 문제가 없는지를 판단한다.

◇ 휴대성을 위해 본 제품의 크기는 최대 LG gram 16인치 제품 크기, 최소 LG gram 16인치 제품 절반 크기로 설정하였다. LG gram 16인치 제품은 356 x 244 mm² 이고, 자를 통해 본 발명 제품의 크기를 측정하여 평가한다

설계 사양

◇ 물체가 올려져 있는 상태에서 무선 이어폰 수준(갤럭시 버즈)의 무게 차이(39.6g)를 감지할 수 있어야 한다.

◇ 패드와 수신기 사이의 거리가 100m 이내의 거리에서 정상적으로 신호가 오고 갈 수 있어야 한다.

◇ 패드 동작 중에 외부에서 스위치를 건들 수 없어야 한다.

◇ 패드의 센서에 최대 1.5kg의 하중이 가해져도, 무게의 변화를 정상적으로 감지할 수 있어야 한다.

◇ 패드 위 물체가 센서 감지부의 바로 위가 아닌, 좀 벗어난 위치에 있어도 무게의 변화를 정상적으로 감지할 수 있어야 한다.

◇ 패드 위에는 노트북 크기 이하의 물체를 올려놓을 수 있는 크기여야 한다. 

◇ 패드 위의 물건과 같은 무게로 바꿔치기하더라도 도난을 감지할 수 있어야 한다.

◇ 송신기(패드)와 수신기가 통신이 불안정한 상황을 사용자가 인지할 수 있어야 한다.

개념설계안

이론적 계산 및 시뮬레이션

1) 질량별 도난 감지 회귀선 실험

(1) 실험내용

   제품 기본 사양에 요구되는 측정 가능 최소무게(40g)와 최대무게(1500g)에 사이에서 도난을 판별하는 기준에 대한 실험을 진행한다.

(2) 실험방법

   물을 통해 패드 위 무게를 조절하여 각각의 상황에서의 센서 출력값을 설정한 후 갤럭시 버즈(약 40g)를 패드에서 이탈시켜 변화된 센서 출력값을 수집한다. 

(3) 실험결과

Matlab을 통해 실험 데이터로 구한 도난을 감지하는 회귀선은 위와 같다. 이 회귀선은 도난을 감지하는 최소 무게 단위인 40g이 패드에서 이탈 시 센서 변화값을 나타낸다. 즉, 회귀선의 상부 영역은 40g 이상 물품의 도난 발생을 의미하고 하부 영역은 테이블의 흔들림이나 외부 환경의 변화로 인지하는 기준이 된다. 하지만 더 정확한 도난을 감지하기 위해서는 그림 1의 회귀선 하부에 있는 데이터들도 모두 포함하여야 한다. 수집된 데이터 중 위의 회귀선으로부터 가장 큰 이탈을 보이는 데이터는 회귀선 값의 약 77%에 해당하고 이를 모두 포함하는 보정된 회귀선은 다음과 같다.

위 회귀선의 노란색 영역이 본래 회귀선의 이탈 데이터를 모두 포함하는 영역이다. 즉, 해당 실험을 통해 노란색+초록색 영역이 패드가 도난으로 판별하는 감지 영역으로 정의할 수 있다.

2) HC-12 433Mhz RF 모듈 거리 실험

(1) 실험내용

제품 기본 사양에 요구되는 측정 가능 거리인 100m이내의 범위에서 송신기와 수신기가 원활한 통신을 하는지에 대한 실험을 진행한다.

(2) 실험방법

노트북 2대와 HC-12 433Mhz RF 모듈 2개를 이용하여 거리를 늘려가며 아두이노 프로그램에 데이터가 정상적으로 통신이 되는지 확인한다.

(3) 실험결과

HC-12 433Mhz RF 모듈 2개에 1.5cm 높이의 스프링 안테나를 달고 송수신 거리 실험을 진행한 결과 다음과 같이 최대 약 200m에 가까운 송수신 거리를 나타냈다. 도난 방지 패드 제품 요구사양인 100m 거리에서 또한, 원활한 통신이 이루어졌으며 해당 모듈이 제품 요구사양에 알맞은 모듈인 것으로 확인하였다.

상세설계 내용

조립도

1. 송신기(패드) 상부

1.1 상부 평면도

1.2 상부 정면도

1.3 상부 측면도

2. 송신기(패드) 하부

2.1 하부 평면도

2.2 하부 정면도

2.3 하부판 측면도

3. 수신기 상부

3.1 상부 평면도

3.2 상부 정면도

3.3 상부 측면도

 4. 수신기 하부

4.1 하부 평면도

4.2 하부 정면도

4.3 하부 측면도

5. 조립순서

◇ 송신기(패드) 하부 내부에 송신기 회로를 위치시키고 고정한다. 
◇ 송신기 상부에 고무 팁을 부착시킨다.
◇ 송신기 상부와 하부의 간격을 1mm로 유지한 상태로 한쪽 모서리를 경첩 또는 테이프로 고정한다.
◇ 수신기 상부에 내부에 수신기 회로를 위치시키고 고정한다.
◇ 수신기 상부 윗면에 배터리 코인 홀더를 접착하고 내부 회로와 연결한다.
◇ 수신기 상부와 하부를 결합한다.

부품도

제어부 및 회로설계

◇ 본 제품의 송신부 회로도는 다음과 같다. 측정범위 20g ~ 10kg인 가변저항식 압력센서와 HC12 RF통신 모듈을 아두이노 우노 보드와 pcb판에 연결하여 사용한다. 스위치를 사용하여 본 회로를 on/off 시킬 수 있으며 이를 led를 통해 확인할 수 있다. 리튬이온 배터리는 C-type 단자를 이용하여 충전할 수 있으며 배터리의 정격출력전압은 3.7V이므로 5V 승압 컨버터를 이용하여 아두이노에 5V 전원을 공급한다.

◇ 본 제품의 수신부 회로도는 다음과 같다. 송신부와 통신을 위해 같은 HC12 RF 통신 모듈을 사용하였다. 수신 알림을 위한 진동기와 전력공급을 위한 원형 리튬 배터리를 사용하였다. 수신부의 소형화를 위해 아두이노 나노 보드와 pcb판을 사용하였다.
라. 

소프트웨어 설계

<송신부 알고리즘 설명>

1. 송신부의 전원이 켜지면 Value1에는 0이 입력된다.

2. Value1이 0이라면 Value1에는 감압센서에서 감지한 데이터 값이 입력되고 일정한 delay 후에 감압센서에서 감지한 데이터 값이 Value2에 입력된다.

3. Value1과 Value2의 차이가 f(x)보다 크다면 신호 1을 수신기에 전달하고 그렇지 않다면 신호 2를 수신기에 전달한다.

4. 과정2에서 Value1의 값이 0이 아니라면 Value1에서는 Value2의 값이 입력되고 일정한 delay후에 감압센서에서 감지한 데이터 값이 Value2에 입력된다.

5. 과정3을 진행한다.

6. 과정 2, 3, 4, 5를 반복한다.

<수신부 알고리즘 설명>

1. 전원이 켜지면 작동을 시작하고 그렇지 않으면 작동을 하지 않는다.

2. 수신기에 신호 1이 수신된다면 진동모터가 지속적인 진동을 한다. 이는 도난상황임을 알리는 진동으로 수신기의 전원을 꺼야만 진동이 멈춘다.

3. 수신기에 신호 2가 수신된다면 진동모터가 작동하지 않는다.

4. 수신기에 값이 수신되지 않는 상태로 3초간 지속되면 일정한 패턴의 진동이 발생한다. 이는 통신 불량을 사용자에게 알리기 위한 진동이다. 중간에 수신기에 1또는 2의 값이 수신되면 진동은 멈추고 과정 2, 3이 진행된다.

5. 수신기에 값이 수신되지 않는 상태로 9초 이상 지속되면 과정 4와는 다른 진동 패턴이 나타난다. 이는 송신기의 전원이 불안정하거나 꺼진 것을 사용자에게 알리기 위한 진동이다. 중간에 수신기에 1또는 2의 값이 수신되면 진동은 멈추고 과정2, 3이 진행된다.

6. 과정 1, 2, 3, 4, 5를 반복한다.

자재소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

송신부 프로토타입

송신부-수신부 결합예시

포스터

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

향후계획

◇ 현재의 장치는 별도의 디스플레이가 없고 3가지의 진동패틴을 통해 도난, 통신장애, 전원차단 상태를 구분하고 있지만 추가로 LED를 추가하여 색으로 알림을 감지할 수 있게 한다면 더욱 편리함이 높아질 것으로 기대된다. 

◇ 장치를 마우스 패드, 무선충전배터리 등 전자기기와 같이 사용하는 제품들과 결합한다면 편의성이 더 증대된 제품이 나올것으로 기대된다.

◇ 현재 내부의 완전한 차폐가 이루어지지 않았는데 이를 개선하여 습기나 먼지 등 주변환경의 오염으로부터 장치 내부를 보호한다면 더욱 안정성이 높은 제품이 될 것이다.

특허 출원 내용

내용