마루는 강쥐

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 반려동물의 외출 및 귀가 모니터링과 개폐 시간 조절이 가능한 스마트 펫도어

영문 : A smart pet door allowing monitoring of pet outings and returns, and adjustable access times

과제 팀명

마루는 강쥐

지도교수

김현식 교수님

개발기간

2024년 3월 ~ 2024년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 2021450017 방기석(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 2021450018 삼효원

서울시립대학교 신소재공학과 2021450027 임채연

서울시립대학교 신소재공학과 20450041 박수미

서론

개발 과제의 개요

펫테리어의 대표적인 가구는'펫도어'이다. 반려동물을 키우는 사람들은 반려동물의 자유로운 이동을 위해 펫도어를 설치하는 경우가 많다. 펫도어를 이용하면 반려인이 사용하는 문이 닫혀있더라도 반려동물이 자유롭게 움직일 수 있으며, 실수로 문을 닫아 반려동물이 한 공간에 갇히게 되는 일을 방지할 수 있다. 또한, 반려인이 반려동물이 외출을 원할 때마다 매번 문을 열어줘야 하는 번거로움도 해결해준다.

개발 과제 요약

기존의 펫도어의 잠금 장치는 수동으로 이루어진다. 따라서 우리는 사용자가 설정한 시간에 맞춰 자동으로 잠금 및 해제가 되는 펫도어를 개발하고자 한다. 사용자가 설정한 시간에 펫도어가 열려 반려동물이 자유롭게 드나들 수 있도록 하고, 그 외의 시간에는 펫도어가 잠겨서 반려동물의 이동을 제한하는 것이 목표이다.

또한, 현관문에 사용하는 펫도어의 경우, 반려동물이 실내에 있는지 실외에 있는지를 확인하기 어렵고 분실의 위험이 있다. 그래서 우리는 문의 회전을 감지하여 반려동물이 실내에 있는지 실외에 있는지를 알 수 있도록 만드는 것을 목표한다.

개발 과제의 배경

급격히 성장하는 펫테리어 시장과 펫도어의 중요성 최근 반려동물 시장이 급격하게 증가하면서 ‘펫테리어(peterior)’가 큰 주목을 받고 있다. 그 중 가장 대표적인 것이 바로 펫도어(pet door)이다. 펫도어를 통해 반려동물이 실내에서 외부로 자유롭게 드나들 수 있게 되었고, 반려인이 직접 문을 열어줘야한다는 문제점을 해결했다.

기존 펫도어의 문제점: 수동 잠금 장치의 불편함 하지만 기존 펫도어는 수동 잠금 방식이라는 단점을 가지고 있다. 즉, 반려동물의 외출을 제한하기 위해서는 반려인이 직접 잠금 장치를 작동해야 하기 때문에 불편함을 느낄 수 있다. 또한 잠금 장치가 제대로 작동하지 않거나 반려동물이 스스로 잠금장치를 여는 경우, 안전에 대한 우려가 있다. 따라서 반려인이 설정한 시간에 맞춰 자동으로 잠금 및 해제 되는 펫도어를 개발하고자 한다.

◇ 서보 모터(servo motor)

본 발명에서는 서보 모터를 통해 잠금 장치를 구현하고자 한다. 여기서 서보(servo)는 "서보 메커니즘(Servo Mechanism)"의 줄임말로, "물체의 위치, 방위, 자세 등을 제어량으로 하고 목표치의 임의 변화에 추종하도록 구성된 제어계"라고 정의되어 있다. 즉, 서보 모터는 일반 모터와는 달리 빈번하게 일어나는 위치 변화나 속도 명령치에 대해 신속하고 정확하게 추종할 수 있도록 설계된 모터를 의미한다. 일반적으로 DC 모터와 피드백 시스템으로 구성되어 있다. 피드백 시스템은 모터의 현재 위치를 감지하여 컨트롤러에게 이를 피드백하여 모터를 원하는 위치로 이동시킨다. 주로 로봇, CNC 기계, RC 모델, 자동차 스티어링 시스템 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

◇ 로터리 엔코더(rotary encoder)

본 발명에서는 로터리 엔코더를 통해 반려동물 위치 감지 시스템을 구현하고자 한다. 엔코더란 회전하는 물체의 회전 속도를 측정하기 위해 사용되는 기기로, 회전체의 축과 연결하여 돌아가는 방향과 횟수를 정밀하게 측정하는 것을 목표로 사용된다. 엔코더는 돌아가는 정도를 측정하는 방식으로 Incremental(증분) 방식과 Absolute(절대) 방식으로 분류된다. Incremental 방식은 발광소자를 통해 나오는 빛이 엔코더가 회전하면서 A,B,Z 상이 받는 빛의 변화를 감지하여 속도를 측정하는 방식이다. Absolute 방식은 각 지점에 절대값을 지정하여 엔코더라 축을 중심으로 돌던 중 해당 위치에서의 값을 전달하는 방식이다. 우리는 펫도어의 문 회전축에 로터리 엔코더를 연결하여, 반려동물이 문 바깥으로 나갔는지 들어왔는지를 인식함으로서 위치 감지 시스템을 구현하고자 한다.

◇ RTC(Real Time Clock)

RTC(Real Time Clock)는 실시간 시간을 의미하며, 현재 시간을 유지 시키는 컴퓨터 시계를 의미한다. RTC는 정확한 시간을 유지해야하는 모든 전자 기기에 존재하며, 별도의 배터리로 백업이 되기 때문에 아두이노가 전원이 꺼져도 시간 정보가 유지된다는 장점을 가지고 있다. 시간 뿐만 아니라 날짜 정보도 불러올 수 있으며, 저렴하면서도 정확도가 높다. 시간 백업용 배터리는 3V용 코인 전지를 사용하며, 주로 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿, 시계, 자동차 시계 등등에 사용된다. 본 발명에서는 현재 시간과 사용자가 설정한 시간을 비교하여 일치할 시 잠금이 작동하는 방식이기에 RTC 모듈을 사용하여 시간을 가져오고자 한다.

◇ 아두이노 클라우드 서비스(Arduino Cloud service)

본 발명에서는 아두이노 클라우드 서비스를 통하여 사용자가 외부에서도 펫도어를 제어하고 반려동물의 위치를 감지할 수 있도록 하는 것이 목표이다. 아두이노 클라우드는 아두이노 사에서 제공하는 서비스로, 아두이노 장치(R4 wifi)를 인터넷에 연결하여 원격으로 제어하거나 데이터를 수집할 수 있도록 한다. 사용자는 웹 인터페이스를 통해 아두이노 장치의 상태롤 모니터링하거나 제어할 수 있으며, 데이터를 저장하고 분석할 수 있다. 주로 IoT(사물 인터넷) 플랫폼으로 사용되며 스마트 홈, 환경 모니터링, 원격 제어 등의 다양한 분야에서 응용 되고 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

기존의 수동 잠금 방식을 개선하여 반려동물이 자율적으로 외출 및 귀가하는 동시에 사용자가 편리하게 펫도어의 개폐를 제어할 수 있도록 하는 것이 목표이다. 또한 모바일 어플을 통하여 반려인이 외출 중에도 반려동물의 외출 및 귀가 여부를 모니터링 할 수 있도록 한다. 사용자는 어플을 통해 잠금 및 해제 시간을 설정할 수 있으며, 설정된 잠금 시간에는 서보 모터와 연결된 도어락이 자동으로 작동한다. 또한 로터리 엔코더로 반려동물이 드나드는 방향을 감지하여 외출 및 귀가 여부를 실시간으로 확인 할 수 있다. 스마트 펫도어의 잠금 장치는 수동과 자동 방식으로 모두 사용이 가능하다. 잠금 시간이 되어 바깥 쪽에 있는 도어락이 잠기더라도, 안쪽 도어락이 열려 있으면 반려동물은 언제든지 집으로 귀가할 수 있다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 펫도어의 잠금 방식

최근 몇 년간 전 세계적으로 반려동물을 가족의 일원으로 여기는 가구의 비중이 증가하면서 반려동물 시장이 급격히 성장하고 있다. 특히 '펫테리어'는 반려동물과 함께 생활하는 사람들을 위한 공간 디자인으로, 반려동물을 위한 편안하고 안전한 환경을 제공하는데 중점을 둔다. 펫테리어는 반려동물을 위한 용품 구매를 넘어, 실내 환경 자체를 반려동물에게 최적화하는 트렌드로 자리 잡고 있다. 이에 따라 펫테리어 시장을 공략하기 위한 업체들의 경쟁도 치열해지고 있는 상황이다. [1]

특히, 반려동물이 실내와 실외를 자유롭게 이동할 수 있게 도와주는 '펫도어'는 많은 주목을 받고 있다. 펫도어를 설치하면 문이 닫혀 있어도 반려동물이 자유롭게 드나들 수 있으며, 문이 닫혀 반려동물이 갇히는 상황을 방지할 수 있기 때문이다. 다양한 오픈 방식의 펫도어 중 최근 한솔 홈데코의 "4가지 출입 방식" 잠금 방식이 많은 호응을 받고 있다. 각 잠금 방식은 (1) 양방향 잠금, (2) 안에서 바깥 열림, (3) 바깥에서 안으로 열림, (4) 양방향 열림으로 구성 되어 있다. 다양한 상황에 맞게 출입 방식을 선택할 수 있는 만큼 안전과 편의성을 극대화 할 수 있어 큰 사랑을 받고 있다. [2]

하지만 수동 잠금 장치에는 몇 가지 단점이 존재한다. 먼저 사용자가 직접 잠금 상태를 변경해야한다는 번거로움이 있다. 만약 새벽 산책을 좋아하는 반려동물이라면, 반려인이 매번 새벽에 일어나서 잠금을 해제해야한다는 불편함이 생긴다. 또한 사용자가 잠금 상태를 잊어버리거나 잘못 설정하는 경우, 반려동물이 자유롭게 이동을 하지 못하는 상황이 발생한다.

< 그림 1. 펫도어를 사용하는 가정집> (출처: CNNET)

◇ 펫도어 잠금 장치 관련 기술 조사

1) 스위치형 수동 잠금 장치

< 그림 2. 4가지 잠금 방식의 스윙 펫도어(앞,뒤)> < 그림 3. 스윙 펫도어의 잠금 방법>

스윙 펫도어는 벽 또는 문에 구멍을 내어 설치하는 방식으로, 가장 보편적으로 사용되는 펫도어이다. 이 펫도어는 투명 창으로 이루어져 있으며, 총 4가지 방식((1) 양방향 잠금, (2) 안에서 바깥 열림, (3) 바깥에서 안으로 열림, (4) 양방향 열림)으로 잠금을 할 수 있다. 각 잠금 방식에 대한 구체적인 설명은 아래와 같다. 사용자가 스위치를 밀면, 내부에 있는 기어 또는 레버가 잠금 핀을 고정하거나 해제하는 방식이다.

  (1) 양방향 잠금 : 빨간색과 녹색 스위치를 양쪽 바깥쪽으로 밀면, 반려동물이 집에 들어가거나 나갈 수 없다

.

  (2) 안에서 바깥 열림: 빨간색과 녹색 스위치를 오른쪽으로 밀면, 반려동물은 집에 들어올 수 있으나 집에서 나갈 수 없다.

  (3) 바깥에서 안으로 열림: 빨간색과 녹색 스위치를 왼쪽으로 밀면, 반려동물은 집을 나갈 수 있으나 들어올 수 없다. 

  (4) 양방향 열림: 빨간색과 녹색 스위치를 안쪽으로 밀면, 반려동물은 언제든지 외출할 수 있다.

색상으로 구분된 스위치를 이용하여 잠금 메커니즘이 직관적하다. 또한 벽이나 문에 구멍을 내어 설치하기에, 설치 후에도 튼튼하게 고정되어 외부 충격에 강하다는 장점을 가진다. [3]

2) 초음파 감지 시스템을 기반으로 한 자동 잠금 장치

< 그림 4. 초음파 신호를 이용한 잠금 장치(출처:High tech pet)>

본 잠금 장치는 방향성 초음파 감지 시스템을 기반으로 동작한다. 반려동물의 목줄에서 발생하는 초음파 신호를 감지하여 문이 열리고, 반려동물이 문을 향해 직면했을 때만 잠금이 해제되는 방식이다. 

< 그림5. 초음파 신호를 받아 문이 열리는 조건(출처:High tech pet)>

반려동물이 착용한 목걸이에서 발생하는 초음파 신호가 잠금 장치에 수신되면, 잠금 장치는 신호를 분석하여 반려동물의 위치와 방향을 파악한다. 이를 통해 문이 열리는 조건이 충족 되면, 내장되어있는 모터가 작동하여 문을 열거나 닫는다. 모터가 문을 열 때는 스프링이 풀려 문을 부드럽게 열고, 닫힐 때는 안정적으로 닫히도록 한다. [4]

3) 번호 다이얼 자물쇠형 수동 잠금 장치

< 그림6. 번호 다이얼형 자물쇠 잠금 방식(출처: Pet Rro Supply Co. pet)>

위의 방식은 사용자가 직접 잠금 번호를 설정하여 펫도어를 잠그는 방식이다. 잠금을 해제하기 위해서는 정확한 번호 조합을 알아야하기 때문에, 반려동물 외의 다른 동물이나 외부인이 쉽게 접근할 수 없다. 또한 보안을 강화하고 싶을 시에는 번호를 변경하면 된다. 기계적인 다이얼 방식이기에 전력이나 배터리에 의존하지 않아 고장이 적다는 장점이 있다 [5].하지만 매번 다이얼을 돌려 번호를 맞춰야하기에 출입이 빈번한 경우 번거롭다. 또한 사용자나 가족 구성원이 번호를 기억해야하며, 타인에게 노출 될 위험도 있다.

4) RFID/NFC 기반 자동 잠금 장치

< 그림7. RFID/NFC 기반 자동 잠금 장치(출처: PetWalk)>

RFID(radio-frequency identification)은 "전자기파를 통한 식별"을 의미한다. 즉, 무선 통신 기술을 사용하여 객체나 개체를 식별하는 기술이다. 반려동물의 목걸이나 피부 속에 이식된 RFID 태그를 인식하여 자동으로 잠금 및 해제하는 펫도어이다 [6]. 반려동물이 태그를 착용하고 있으면 자동으로 출입이 가능하고, 등록된 태그만 인식하기에 외부 동물을 출입을 할 수 없다. 하지만 RFID 태그와 리더리를 사용할 경우, 초기 투자 비용이 높다. 또한 기술적인 문제로 가끔 오작동할 수 있으며, 애완동물이 RFID 태그 착용을 거부할 경우, 펫도어 사용이 어렵다.

5) 생체 인식 기반 잠금 장치

< 그림8. 생체 인식 기반 잠금 장치(출처:This is why im broke)>

생체 인식을 기반으로 하여 잠금 및 해제하는 펫도어이다. 반려동물의 얼굴 특징을 분석하여 인증하는 생체 기술을 활용하였다. 펫도어에 장착된 고해상도의 카메라가 반려동물의 얼굴을 감지하고 촬영하고, 촬영된 이미지에서 얼굴의 특징을 추출하고 분석한다. 추출된 얼굴 특징을 바탕으로 고급 알고리즘이 반려동물의 얼굴 패턴을 인식하고 식별한다. 등록된 반려동물의 얼굴 패턴이 인식 될 시, 펫도어는 출입을 허용하고 잠금을 해제하는 방식이다 [7]. 반려동물의 고유한 얼굴 특징을 기반으로 정확하게 인증하기 때문에 보완 수준이 높다. 또한 반려동물의 신체적인 키나 태그가 없어도 집에 출입할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 얼굴 인식을 구현하는데는 고해상도 카메라와 고급 처리 장치가 필요하다. 따라서 유지 보수 및 소프트웨어 업데이트 추가 비용이 발생한다는 단점이 있다.

• 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

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

내용