2조-비켜조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 지하철 임산부 좌석 양보 시스템

영문 : Subway pregnant woman seat concession system

과제 팀명

비켜조

지도교수

김상일 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 장*영(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 장*하

서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 이*호

서울시립대학교 신소재공학과 20144500** 김*현

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 지하철에 존재하는 임산부 전용 좌석의 활용을 극대화하기 위한 시스템이다.

◇ 임산부가 임산부 전용 좌석의 일정 반경 이내로 진입하였을 경우 착석해있던 사람에게 알리어 양보할 수 있도록 한다.

◇ 임산부가 스마트폰의 어플리케이션을 실행시키면 스마트폰에서 신호가 발생되어 임산부 좌석 측면의 센서가 인식한다. 신호가 인식되면 연결되어 있는 LED등이 점등하고 스피커에서 소리가 발생하여 착석한 사람이 임산부의 존재를 인식할 수 있도록 한다. 임산부가 착석하면 사용중임을 알리는 LED가 점등된다.

◇ 임산부만 사용할 수 있도록 로그인하여 인증하도록 한다.

개발 과제의 배경

◇ 임신 초기에는 임신 사실을 겉으로 확인하기 힘들기 때문에 좌석이 양보되지 않는 경우가 생긴다. 때문에 임산부 전용 좌석은 앉기 꺼려지고 비워져 있는 경우가 잦다.

◇ 수도권 지하철 기준으로 임산부 좌석은 1량에 4개이며 결코 적은 수가 아니며, 임산부 좌석이 불필요하게 비워져 있는 것은 공간의 낭비이다.

◇ 양보 시스템이 도입된다면 임산부가 있음을 확실하게 인지할 수 있기 때문에 눈치 볼 필요 없이 임산부 좌석을 이용할 수 있고, 낭비를 줄일 수 있다.

◇ 비콘 신호 발생 장치를 불필요하게 제작하지 않고 휴대폰 애플리케이션으로 대체하여 자원의 낭비 및 예산 감소를 도모한다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 정확성

1. 센서가 반경 1m 안에 스마트폰이 들어온 것을 인식해야 한다. 2. ‘양보’신호와 ‘사용중’신호를 정확히 구분하여 올바른 색의 LED를 점등해야 한다.

◇ 실용성

1. 가격이 기존의 센서 및 LED등의 가격(20만원)보다 저렴해야 한다. 2. 스마트폰의 종류에 상관없이 어플리케이션이 실행되어야 한다.

◇ 보안성

1. 임산부가 아닌 사용자가 애플리케이션을 사용하지 못하도록 인증 과정을 거친다. 2. 동일한 대역폭의 다른 신호가 왔을 때 작동하지 않도록 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황

◇근거리 무선 통신 기술

Bluetooth

블루투스 기술은 1999년 공식발표된 기술로 2400~2483.5MHz의 주파수 범위에서 동작하는 무선 신호이다. 블루투스는 송신된 데이터가 패킷으로 분할되고, 각 패킷은 지정된 79개의 블투투스 채널들 중 하나에 전송된다. 각 채널은 1MHz의 대역폭을 가지며 블루투스 4.0 이후부터는 40개의 채널에 2MHz의 간격을 사용한다.
블루투스 기술은 1세대부터 현재 5.2세대까지 차례로 발전해 왔다. 블루투스 기술은 세대가 지나감에 따라서 점점 더 많은 양의 데이터량과 더 넓은 데이터 전송 가능 범위와 저전력으로 발전해왔다. 현재 5세대의 블루투스 기술은 전송거리와 전송속도를 자율적으로 유연하게 조절할 수 있다.
블루투스 칩은 single mode와dual mode가 있다. 싱글 모드는 단방향으로만 데이터를 송신하고, 일반적으로 사용하는 스마트폰들은 듀얼 모드로 양방향으로 데이터를 송수신할 수 있다.

Beacon

비콘은 무선통신장치로써 블루투스 4.0세대를 기반으로 주변에 있는 기기들에게 신호를 전달하는 기술이다. 비콘은 저전력으로 무선통신이 가능하며이론상 최대 100m까지도 신호전달이 가능하다. 다만 실생활에서는 출력 제한과 전파간섭으로 인하여 약 1m정도를 한계선으로 보고있다.

◇MCU(Micro Controller Unit)기술

MCU

MCU 기술이란 마이크로프로세서와 입출력 모듈을 하나의 칩으로 만들어 정해진 기능을 수행하는 컴퓨터를 의미한다. MCU는 임베디드 애플리케이션을 위해 디자인 되었으며 임베디드 시스템에 널리 사용된다. MCU는 여러 기능을 처리하기 위해 동작하는 것이 아니라 특정한 기능을 설정하고 정해진 일을 수행하도록 프로그래밍 되어 동작한다. 일반 PC에 비해 성능이 낮고 형상도 다르며, 한 번 프로그래밍하면 코드를 바꿀 일이 거의 없다.  MCU는 현재 라즈베리파이, 아두이노 등을 사용하여 간단하게 프로그래밍 할 수 있다.

라즈베리파이

초소형, 초저가, 저사양 컴퓨터에 사용되며, 아두이노에 비해 복잡한 프로그래밍이 가능하다. 라즈베리파이는 컴퓨터이기 때문에 운영체제를 설치해야한다.

아두이노

아두이노는 컴퓨터가 아니라 Micro Controller를 구현하기 때문에 운영체제가 필요 없다. 비교적 단순하여 접근성이 높다. 아두이노는 컴퓨터가 아니기 때문에 웹 인터페이스 구 등은 어렵지만 단순 센서나 모터 제어 등은 간단하게 할 수 있다.

특허조사 및 특허 전략 분석

◇출원번호 : 10-2018-0125076(임산부 카드 태그시 열리는 임산부석)

임산부가 가진 임산부 카드를 태그시에 좌석이 열리도록 만들어서 임산부에게 좌석을 제공하는 시스템이다.

◇출원번호 : 10-2019-0007567 (임산부 배려를 위한 지하철 임산부 좌석 예약 시스템 및 그를 이용한 예약 좌석 운용 방법)

임산부가 좌석을 사용할 때 스마트폰 앱을 이용하여 임산부 좌석을 예약할 수 있고, 일반 좌석과 다르게 임산부 좌석에는 예약하지 않은 임산부 외에는 앉지 못하도록 차단기와 안내장치가 설치되어 예약한 임산부 이외의 사람이 이용할 수 없도록 하여 예약한 임산부가 편안히 이용할 수 있도록 한 임산부 배려를 위한 지하철 임산부 좌석 예약 시스템 및 운용방법이다.

◇ 임산부 태그시 열리는 좌석이나 임산부 좌석 예약제는 임산부가 사용하지 않을 때에는 좌석을 사용할 수 없는 상태로 만들기 때문에 좌석의 낭비가 일어나게 된다. 반면에 임산부 배려석 어플 시스템의 경우에는 임산부가 좌석을 사용하지 않을 때에는 일반 승객들에게 좌석이 제공되기 때문에 좌석과 공간의 낭비가 줄어든다.

◇임산부 좌석 예약 시스템의 경우 임산부가 좌석을 예약하고 나타나지 않을 경우 문제가 발생할 수 있다.

◇임산부 카드 태그시 열리는 임산부 좌석의 경우에는 태그 전에는 닫혀 있고, 태그 이후 열리는 시스템을 갖추는 것에 많은 비용이 소모된다.

기술 로드맵

◇무선 통신 기술

무선 통신기술은 과거 봉화나 등대 등을 통하여 신호를 주고 받았고, 이후 1901년 라디오 전파 기술이 개발되어 아날로그 신호를 주고 받았다. 이후 디지털 신호를 주고 받는 무선 통신 기술이 보안, 저전력, 전송속도 등의 목적에 따라 여러 갈래로 발전 되었다.

등대, 봉화(과거)-->라디오(1901년)--> NFC(저전력, 2003 표준 승인)&bluetooth(상대적 고성능, 1994 개발)

◇MCU

MCU가 개발되기 이전에는 특정 기계전자장치를 제어하기 위해서 장치가 요구하는 사항들의 각각에 따라서 그 각각마다 필요한 전문화된 칩을 사용했다. MCU로 통합된 이후에는 MCU 자체 하나의 칩으로 각각의 장치 하나를 완전히 제어한다.

전문화된 여러 개의 칩--> MCU

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

◇ 비콘을 이용한 기존 핑크라이트 기존 캠페인의 경우 해당 시에서 발급받은 비콘을 이용하여 해당 좌석을 이용하였다. 하지만 발급 받은 비콘을 이용할 경우, 비콘을 분실하거나 집에 놓고 오는 등으로 인해 비콘을 소지하지 못하고 탑승하는 경우가 발생할 수 있다. 또한 비콘을 반납하지 않는 경우가 발생하여 수거대책이 추가로 필요하다. 하지만 어플을 이용할 경우 인증 기간을 별도로 설정한다면 모든 문제를 해결 가능하다.

마케팅 전략 제시

◇SWOT 분석

Strength: 비콘과 연계되는 전등만 설치한다면 더 이상의 추가 비용이 전혀 발생하지 않는다.
Weak: 임산부 배려석의 이용 자체가 사람들의 배려에 의한 것이므로 강제성을 가질 수 없다. 그러므로 기존 좌석 이용자가 좌석을 양보하지 않는다면 임산부는 여전히 좌석을 앉을 수 없다. 즉 어플 자체가 좌석 이용을 완전히 보장할 수는 없다.
Opportunity: 시민의식이 점점 더 높아져감에 따라서 임산부가 근처에 있다는 것을 인지하면 좌석을 임산부에게 양보하는 사람들이 점점 늘어나고 있다.
Threat: 사회 전반적으로 압박을 주어 임산부 배려석 자체를 임산부가 아닌 일반 승객들 전원이 이용하지 못하게 하는 분위기가 형성되고 있어 애초에 자리가 비워지는 경우가 발생하고 있다. 또한 그에 부담을 느껴서 임산부조차도 배려석에 앉지 못하는 경우가 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇본 시스템인 '임산부 배려석 알람 어플'는 간단한 센서만 지하철 좌석에 설치하면 이용자층 누구나 스마트폰만을 가지고 특별히 다른 통신장치 없이 이용할 수 있다.

◇'임산부 배려석 알람 어플'이기 때문에 알람이 없다면 평상시에는 일반 승객들은 알람이 없다면 좌석을 마음껏 이용할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 기존에는 많은 임산부들이 임신을 하고도 눈치가 보인다는 이유로 좌석에 다른 승객이 이미 있다면 양보를 요구하기 힘들었다. 특히 초기 임산부들은 임신여부가 더욱 구별하기 힘들어서 임산부 배려석에 앉기를 더욱 껄끄럽게 여기는 경우가 많았다. 본 제품이 있다면 임산부들은 자신의 임신여부를 정확히 알릴 수 있고, 기존의 좌석 이용객에게 굳이 말을 걸지 않고도 좌석을 이용할 수 있다.

◇ 기존의 핑크라이트 캠페인은 비콘의 분실문제와 미반납 문제가 있어 계속해서 추가적인 유지비용이 들어가고 미반납으로 인한 사용 인원의 증가하는 등의 문제를 막을 수 있다.

◇ 본 시스템은 임산부 배려석 외에도 노약자 등 다른 교통 약자들에게도 추가로 적용될 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

◇ 장대영 - 팀 리더, 자료조사, 회로구성, 재료구매, 마이크로컨트롤러 코딩
◇ 장계하 - HW 개발 담당, 자문 조사, 애플리케이션 개발
◇ 이진호 - QA 담당, 회로구성, 마이크로컨트롤러 코딩
◇ 김유현 - SW 개발 담당, 애플리케이션 개발, 서버 개발, 데이터베이스 구성

설계

설계사양

제품의 요구사항

애플리케이션에서 양보 요청을 누르면 LED가 점등된다. (D)
외부의 동일한 대역폭의 비콘 신호에 반응하지 않는다. (D)
데이터베이스에 존재하는 임산부 목록에 있는 사람만 인증된다. (D)
센서 반경 2m 이내에서 보낸 신호에만 응답한다.(W)

설계 사양

◇ 비콘 인식 및 LED 제어 기능

- 특정 대역폭의 beacon frame을 인식하여 데이터를 가져올 수 있어야 한다.
- 데이터를 확인한 후 LED를 점등할 수 있어야 한다.

◇ 인증 기능

- 임산부가 아닌 사람이 사용할 수 없도록 로그인 인증 기능을 구현한다.

개념설계안

◇ 종합 개념

- LED를 제어하기 위해서 beacon frame을 사용한다. 여기서 beacon frame을 송신하는 송신부의 경우 따로 장치를 사용하는 방식과 스마트폰을 사용하는 방식이 있다.
- 기존에 부산시에서 사용하던 핑크 라이트의 경우 임산부가 열쇠고리 형식의 장치를 휴대하여 LED 장치에 beacon frame을 송신하는 방식을 취했다. 이 방식으로 불필요한 장치 생산 비용이 발생한다. 또한, 임산부에게 발급한 장치를 회수하기 어렵다는 단점을 가졌다.
- 대부분의 임산부가 사용하는 스마트폰을 활용했을 때, 이러한 문제들을 해결할 수 있다. 그러나 스마트폰을 사용할 시 소스코드가 유출될 가능성이 있기 때문에 동일한 대역폭의 beacon frame에 의해 오작동하는 상황이 발생할 수 있다.
- 위의 상황을 방지하기 위해서 서버를 별도로 분리하여 인증기능을 구현한다. 사용자는 매번 사용 시마다 인증한다. 사용자는 임산부 좌석에 접근하여 beacon 신호를 송신한다. beacon 신호를 수신한 장치는 신호가 유효한 값인지 확인한다. 고유한 UUID값의 beaccon 신호를 사용하여 동일 대역폭의 beacon 신호에 동작하는 일이 없도록 방지한다.
- 임산부임을 확인하기 위해서는 정부의 데이터베이스를 사용하는 것을 전제하여 샘플 데이터베이스에 임산부 정보 목록을 가지고 있는다. 이후 사용자가 임산부라는 것을 인증할 때, 샘플데이터베이스의 정보를 조회하여 유효한지 확인한다.

◇ 모바일 애플리케이션

- 모바일에 사용하는 OS(운영체제)의 경우 애플의 ios와 구글의 Android가 있다. 대한민국의 OS 사용 비율은 2019년 8월 기준으로 Android가 73.8%로 ios보다 우세하다. 그렇기 때문에 모바일 애플리케이션 개발 OS는 Android로 한다.
- 안드로이드 개발 언어로는 크게 Java와 Kotlin 두 가지가 있다. Kotlin은 Java보다 최신 언어로 더 빠른 생산성을 가지기 때문에 개발 언어는 Kotlin으로 한다.
- 안드로이드 모바일 애플리케이션 시장은 Google Play Store가 가장 크기 때문에 Google Play Store에 애플리케이션을 배포한다.

◇ 사용자 인증 및 토큰을 발행해주는 서버

- 서버의 인프라 장비를 새로 설치하고 운용하는데는 막대한 비용과 인력이 필요하다. 그렇기 때문에 기존에 존재하는 서버 호스팅 서비스를 이용한다. 서버 호스팅의 경우 크게 AWS (아마존 웹 서비스)와 GCP (구글 클라우드 플랫폼)이 있다.
- 서버 개발 언어는 Go 언어를 사용한다.
- 서버 프레임워크는 Go 언어의 Gin&Gorm framework를 사용한다.
- 서버는 GCP Cluster에 deployment로 배포한다.

◇ 임산부 정보를 담고 있는 데이터베이스

- 데이터베이스의 인프라는 GCP 서비스를 사용한다.
- 데이터베이스로는 MySQL을 사용한다.
- 데이터베이스는 GCP의 동일한 Cluster에 배포한다.

◇ 암호화 알고리즘

- 암호 알고리즘은 대칭키 암호방식을 사용한다. LED 장치와 서버가 동일한 암호키를 가지고 있고, 사용자가 서버에서 인증을 요청 시 데이터를 암호 키로 암호화하여 응답한다. 암호문을 전달받은 사용자는 beacon 신호에 데이터를 담아 송신하고, LED 장치는 암호키로 beacon 신호의 암호문을 복호화하여 유효한 데이터인지 확인 후, 유효한 데이터일 시 LED를 점등한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ tinkercad.com에서 지원하는 프로그램을 통해 회로를 구성하고 시뮬레이션 한 결과 정상 작동하였다.

◇ 단, 지원하는 프로그램에서 블루투스 수신 모듈인 esp32는 지원하지 않아서 입력 장치를 push button으로 구성하여 이를 esp32이라 가정하여 실행하였다.

◇ 링크 : https://drive.google.com/file/d/1Ho_IpsxON2vj_G8VQJvnghe6Ooh2nhMI/view?usp=sharing

상세설계 내용

참고: 아두이노와 각 모듈들 사이의 배선은 생략되었다.

◇전면부

◇측면부

◇ tinkercad.com에서 지원하는 프로그램으로 회로를 구성하였다.

◇ 입력 장치로 블루투스 수신 모듈인 esp32 대신 push button을 사용하였다. 실제 회로는 아두이노 uno r3와 블루투스 수신 모듈의 기능을 같이 하는 esp32가 사용될 것이다. push button은 HIGH와 LOW 두 가지의 데이터만 전송 가능한 장치이다. 한 쪽 핀은 5V에 연결하여 전원을 공급하고 반대 핀은 10kΩ에 연결 한 후 접지하였다. 또, push button을 digital 7번 핀에 연결하여 입력 데이터를 읽을 수 있게 하였다. 스피커 모듈로는 DFPlayer 미니를 사용하여 mp3 파일을 재생 가능하도록 할 것이다.

◇ 전원 공급을 위해 코인 배터리를 사용하였으며 +극을 Vin에 연결하고 -극을 GND에 연결하였다.

◇ 사용한 LED는 네오픽셀로 +를 5V에, G를 GND에 IN을 digital 6번 핀에 연결하였다. 사용한 스피커 장치는 피에조 부저로 +를 digital 5번 핀에 연결하고 -를 GND에 연결하였다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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