RTK기반 블루투스 DGPS제작기

글 | 객원기자 금강초롱(blog.naver.com/crucian2k3)

들어가며
GNSS, GLONASS, BEIDOW, PMTK, RTCM, SBAS, 기준점 이런 용어들과 지난 6개월 남짓, 거의 반년 이상을 보냈습니다. 사실 GPS를 사용하여 보다 정교한 위치를 찾을 수 있는 방안들에 대해 나름 고민에 고민을 해봤고 조금은 Hard-Core 타입 취미전자를 지향하는 아마추어 입장에서 어느 정도 동 기술의 실체파악을 해 본 것 같습니다. 이제 그간의 진행과정을 상세히 정리해 보고자 합니다.

1. 이 일을 시작하게 된 동기
GPS 수신기를 사용하여 실시간 위치추적을 하되 시속 60km이상의 속도에서도 매초 10회 이상의 포인팅을 할 수 있는 장치를 자력으로 만들어 보고 싶었습니다.
비용은 최대한 저렴하게, 호주머니나 모자에 부착도 가능한 초소형으로 구성하고, 블루투스를 통해 스마트폰과 연계하여 활용성을 높일 수 있도록 제작하고 싶었습니다.
목표하는 정밀도는 미터급으로 하되 시중에서 손쉽게 구할 수 있는 GPS모듈에 에러보정 신호를 인가하여 정밀도를 극한으로 끌어 올려 가능하다면 1미터 이내의 정밀도로 동작되게 하는 것이었습니다.
그럼 이것을 어디에 쓸모가 있냐고 반문 하실지 모르겠습니다. 매년 자신의 발전을 위해 나름 도전적 과제를 정하여 매진하곤 하는데 올해는 고속으로 이동하는 물체의 실시간 이동경로 추적 장치를 만들어보되 GPS기술을 적극 반영하고 차후 실시간 이동체 추적시스템 제작을 위한 핵심기술을 미리 접해보고 싶었기 때문입니다.

2. GPS의 정밀도
이제는 고유명사처럼 사용되는 GPS는 사실 군사목적으로 미국에서 구축한 것입니다. 미국의 진정한 라이벌인 러시아도 이에 뒤질세라 GLONASS를 구축하여 자국은 물론 북한 등 전세계 공산권 국가에서 이용 중인 것으로 알려져 있습니다. 중국에서도 베이징올림픽에 즈음하여 BEIDOW베이더우라고 하는 위성항법체계를 완성하여 자국을 대상으로 서비스 중에 있습니다. 유럽연합도 갈릴레오라고 하는 위성항법체계를 구축중이며 우리나라도 여기에 참여하고 있다고 합니다.
우선 GPS위성에서 내려오는 마이크로웨이브의 구성부터 살펴보면, GPS위성에서는 L1반송파로 알려진 1.57542Ghz와 L2반송파로 알려진 1.2276Ghz가 끊임없이 송출되고 있습니다.
이러한 반송파에 중첩(변조)되어 실려진 시그널은 PRN(Pseudo-Random Noise)코드와 50Bps 속도의 항법메시지가 포함되어져 있습니다. 여기서 PRN을 한꺼풀 더 벗겨 보면 Coarse Acquisition이라고 불리어지는 C/A코드와 Precise Code인 P코드로 나눠집니다.
L1 반송파에 실려진 C/A코드는 민수용 GPS수신기 등을 위해 쓰이며 일반정밀도(SPS: Standard Posistion Service)를 얻을 수 있고 L2 반송파에 실려진 P코드는 고정밀도(PPS: Precise Positioning Service)를 서비스하기 위한 것이며 Anti-Spoofing 모드로 동작되기 위해 Y-code로 암호화 하여 송출됩니다.
결국 L2반송파는 미국에서 인증을 받은 제한된 이용자만 접근이 가능하고 군사관련 이용자는 특수한 수신기로 이용이 가능하다고 합니다.
그냥 L1 반송파만 사용하면 되지 왜 L2 까지 쓸까요?
미국사람들의 준비성과 예리함을 여기서 다시금 알 수 있습니다. GPS를 사용한 측위체계에서 가장 큰 에러요인은 바로 전리층 지연시간 불균일인데 이를 효과적으로 해결하기 위해 1개의 위성에서 서로 다른 반송파를 송출하여 전리층의 상태를 실시간으로 파악해 내고자 함이라고 합니다. 참 대단하다 아니할 수 없습니다.

위 장황한 내용들을 정리하자면

· C/A Code : L1 반송파에 담겨져 있으며 일반 민수용 GPS에서 일반정밀도(약 3∼15M)로 측위가 가능함
· P Code : L2 반송파에 담겨져 있으며 암호화되어 있어 특수 목적으로만 사용되며 L1, L2를 동시에 사용하여 보다 고정밀도(1mm∼1Cm) 측위 가능
· Navigation Message : L1 반송파에 담겨져 있으며 시각 데이터 파라메터, GPS시간, 위성상태, 위성궤도메시지, 시간에 따른 위성의 궤도를 나타내는 Almanacs데이터 등이 포함됨

즉, GPS수신기가 측위를 위한 목적으로 동작된다면 최소한 C/A Code와 네비게이션 메시지를 제대로 수신해야 합니다.

3. GPS를 통해 내 위치를 계산해 내는 원리
GPS에 의한 위치 측정원리는 기본적으로 삼변측량원리를 사용합니다.
최대한 간략히 설명해 보자면 다음과 같습니다.
앞서 살펴본 바와 같이 위성으로부터 수신된 L1 시그널인 1.57542GHz (10.23MHz*154)에는 C/A(Coarse Acquisition)코드라는 정보가 실려 있으며 이 코드의 위상정보를 추적하면 펄스 간 지연시간을 얻어 낼 수 있게 됩니다.
C/A코드에 담겨진 펄스열과 GPS수신기의 펄스열을 우선 동기화 시킨 후 지연시간 측정을 위한 펄스열이 나타나면 수신기의 펄스열과 비교하는 방식, 즉 주파수카운터와 같은 개념으로 동작됩니다.

거리 = 광속 x 지연시간

이렇게 얻어진 거리 정보를 바탕으로 동심원을 그리고 동심원 3개가 만나는 점(교차하는 점)이 상대적 위치가 됩니다.
그렇다면 지구상에서 실제 내 위치는 어떻게 알까요?
이는 위성에서 보내주는 Navigation Message(항행정보)에 비밀이 있으며 상대적 위치정보와 항행정보를 결합하여 복잡한 연산을 하면 물리적인 내 위치를 알 수 있게 됩니다. 이 연산내용에 대해서도 좀 알아 봤으나 심오하여 본서에서는 건너뜁니다.
이러한 원리로 인해 낮은 성능의 저가 GPS는 매초 1회 정도의 내 위치 정보를 얻어 낼 수 있는 반면 조금 고성능은 5Hz 내지는 10Hz도 가능하고 아주 고성능은 50Hz도 가능하다고 합니다. 이것이 중요한 이유는 고속으로 이동하는 물체에서 실시간으로 위치 정보를 얻고자 하는 경우에 얼마나 빠르게 현 위치를 인식해 낼 수 있는가? 가 대단히 중요한 요소로 대두되게 됩니다. 시속 60Km로 질주하는 물체는 초속으로 약 16M가 이동되며 이를 10Hz주기로 위치를 추적한다고 하여도 1.6M의 지연 오차를 유발 하게 됩니다.
빠르게 이동하는 물체를 빠르고 정밀하게 추적하기 위해서는 어쩔 수 없이 고성능의 컨트롤러가 필요하게 되는 것입니다.

4. DGPS의 개념
4.1. GPS의 오차
DGPS(Differential GPS)는 상대 측위 방식의 GPS 측량기법으로서 이미 알고 있는 기준점 좌표를 이용하여 오차를 일으키는 요소들을 보정하고, 오차를 최대한 줄여서 보다 정확한 위치를 얻기 위한 방식입니다.
일반적으로 GPS에서 오차를 일으키는 요인들은 아래와 같습니다.

이러한 오차 중 ③전리층 오차가 영향을 크게 미치며 이 오차는 수신기 주변 100Km지역에서는 거의 동일한 경향이 있으므로 기지의 수신국에서 알아낸 오차 내역을 측정하고자 하는 GPS 수신기에 별도로 알려주어 보정하게 하는 방식이 DGPS의 기본적 원리라 할 수 있겠습니다.

4.2 DGPS 에러보정 방식
보정을 해주는 량을 전파(전달)하는 방식에 따라 SBAS(Satellite Based Augmentation System) 방식과 RTK(Real-Time Kinematic) 방식으로 나누게 됩니다.
이번에 제작한 GPS수신기는 위 SBAS와 RTK를 모두 처리할 수 있는 타입으로 제작하였으며 제조사 매뉴얼에 의하면 DGPS모드에서는 5Hz 주기로 위치식별이 가능하다고 되어 있으나 10Hz까지 올려도 일단 동작이 됨은 확인 하였습니다.

5. 자작 GPS의 하드웨어 부문
제작 컨셉 : 소형, 경량, 저 전력, 저 비용, 고정밀도, 사용자 편의적UI, 흔한 부품, 스마트폰과 블루투스통신 가능 등

기본적인 구성은 다음과 같습니다.

이제 각각의 요소들이 어떠한 기능과 역할을 수행하는지 살펴보도록 하겠습니다.

5.1 GPS CONTROLLER

5.2 GPS MODULE

5.3 GLCD

5.4 BLUETOOTH MODULE

5.5 BUTTON KEY

5.6 LDO

5.7 BOOSTER

5.8 Lithium BATTERY

6. 자작 GPS의 소프트웨어 부문
GPS 수신기로 작동되려면 기본적으로 NMEA정보를 외부로 송출하는 기능이 원활히 구성되어야 할 것입니다.
단순히 외부로 NMEA정보만 보내려 한다면 이야기가 간단합니다만 GPS의 동작모드를 즉석에서 변경이 가능하도록 하기도 하고, NMEA정보도 수신기에서 보기를 원한다면 MCU가 필연적으로 필요해 집니다.
외부와의 연계는 BLUETOOTH통신을 계획하였으므로 SPP 프로파일을 어떻게 통제해야 하는가가 역시 중요한 요소가 됩니다.
이러한 기본적인 요소가 준비되었다면 본격적으로는 PMTK프로토콜에 대한 이해가 필요합니다. PMTK는 GPS 모듈에게 어떠한 기능을 설정할 것인지 주문하는 기능과 이미 설정된 값이 어떤 상태로 들어가 있는지 쿼리를 하고자 할 때 필수적으로 사용되게 됩니다.

6.1 간이 RTOS(비선점형 방식) 스케쥴러 설계
GPS 모듈은 최초 전원이 인가되면 9600Bps에 1Hz 주기로 위치를 알려주는 기능이 동작됩니다. 이는 GPS에 내장된 펌웨어에 전적으로 의존함이고 제조사에 소정의 비용을 지불하면 이를 변경할 수도 있다고 합니다. 그러나 본 프로젝트에서와 같이 MCU를 사용하여 PMTK명령을 보내면 좀 번거롭긴 해도 다양한 모드변경을 원하는대로 시킬수 있게 됩니다.
최대 10Hz 모드에서도 동작을 시키기를 원하므로 9600Bps로는 정상적인 출력이 불가능하게 됩니다. 한마디로 변비에 걸리게 되는 것입니다.
이를 좀 더 파헤쳐 보면, RTCM FIX 상태에서 총 16개의 위성이 탐색된 상황이라면 퍼붓듯이 보내지는 데이터의 알맹이를 살펴보면 다음과 같습니다. (DGPS FIX, AGE:1, SALT:16, Differential mode)

· 1개의 NMEA FRAM SIZE : 366Byte
· 9600Bps에서 전송 소요시간 : (366Byte * 10Bit(8Bit + 1start + 1stop)) / 9600Bps = 0.38125Sec

위에서 보듯이 9600Bps로 1초에 1회 위치 정보를 얻는 경우 최소 0.38초가 걸리므로 이 상태에서는 1초에 3회 이상, 즉 3Hz 이상으로 현 위치 정보를 얻을 수 없게 됩니다.
그렇다면 1초 최대 10회를 뿌려주기 위해서는 간단계산으로 최소 38400Bps는 되어야 함을 알 수 있습니다.

· 38400Bps에서 전송 소요시간 : (366Byte * 10Bit) / 38400Bps = 0.0953125Sec
· 115200Bps에서 전송 소요시간 : (366Byte * 10Bit) / 115200Bps = 0.03177Sec
그렇다면 10hz 모드로 GPS수신기를 동작시키며 NMEA 데이터를 디코딩하고자 한다면 매초 처리해야 할 데이터량이 어느 정도 될까요?

· 366Byte * 10Hz = 3660Byte

인정사정없이 매초 3660Byte가 쏟아져 들어오며 이 데이터를 BLUETOOTH로도 보내주고 디코딩하여 GLCD 표출하기 위해서는 프로그램 구조가 잘 되어 있을 필요가 있습니다. PIC18LF26K22은 Microchip 8bit급에서는 최고속도인 64MHz로 동작시켜도 실제로는 16MIPS가 되며 그간의 칩들에 비하면 상당히 빠른 수준이긴 하나 해야 할 일에 비하면 그리 여유로운 편은 결코 아닌 것 같습니다.
아무튼 이 문제를 충족하기위해 초기에는 USART인터럽트, 타이머인터럽트, 메인루프가 결합된 방식으로 설계하였으나 5Hz이상에서 동작이 매끄럽지 못해 RTOS방식을 도입하게 되었습니다.
일단 그 유명한 FreeRTOS상에서 구동해 보려고 갖은 노력을 하였으나 잘 동작하지 않자 스캐줄러 동작부분만 참조하여 유사 RTOS를 직접 만들어 구동시켜 보게 되었습니다. 프로그램이 동작되는 최소 단위를 1ms로 설정하고 전 타스크를 1ms 내에 완료하도록 하였습니다. 물론 어떤 타스크가 1ms이상을 점령해 버리면 다른 타스크가 실행할 수 있는 시간을 뺏겨버리게 될 소지가 있습니다만 가능한 한 1ms 단위로 돌아가도록 타임슬라이싱을 구현하였습니다.
타임슬라이싱 체계가 원활하게 작동되게 하기 위해서는 State Machine 기법으로 각 타스크를 돌리는 방법을 적용하였고 GLCD가 느려 약간의 지체가 있기는 합니다만 대체적으로 각본대로 잘 돌아감을 확인하였습니다.
인터넷에 좀 검색을 해보니 이러한 방식이 연성(SOFT) RTOS와 유사한 방식임을 알 수 있었습니다.
이러한 구조를 다시 한 번 정리해 보면 다음과 같습니다.

Internal Clock : 16Mhz
PLL 4X : 64Mhz
(FOSC : 64Mhz)

6.2 타이밍도
아래 타이밍도에서는 100ms 간격으로 USART2측에 데이터가 감지되고 있음을 보여주고 있습니다. 즉, GPS 수신기가 10Hz모드에서 동작되고 있음을 알 수 있습니다.
오실로스코프로는 관측하기가 약간 까다로울 수 있습니다만 로직애널라이저를 활용하면 매우 유용하게 측정이 가능합니다.

· Sampling speed : 100Mbit
· Samples : 250Mbyte
· USED channel : 3CH

이로 인해 엄격하게 모든 타스크가 1ms 이내에 완수하여야하는 상황이 어렵게 된다. 이 현상이 생기는 원인은 NOKIA5110 GLCD를 동작시키기 위해서는 SPI 방식으로 통신이 이뤄져야 하며 이 소자는 클록속도가 4MHz가 한계인 관계로 소정의 시간 지연이 불가피하다. 물론 GLCD를 사용하지 않거나 좀 더 고속표시기를 사용한다면 전혀 문제가 되지 않는다.

6.3 소프트웨어 개발환경

7. 보드 세부사항

본 보드는 프로토타입으로 제작해본 것으로 10cm x 6cm의 소형 만능기판을 사용하였습니다. GPS 모듈은 100mil 피치가 아니어서 0.3mm에나멜선을 활용하여 작업을 하였고 LI-ION 충전칩 또한 칩사이즈가 매우 작아 납땜하는데 애로점이 좀 있었습니다.
배터리파워 부스터는 기판사이즈 등의 문제로 인해 모듈형태의 보드를 외부에 부착하였으며 배터리는 18650사이즈를 사용하였는데 너무 과도한 용량이 아닌가 생각됩니다.

16시간 = 2400mAh / 160mA

1000mAh 내외의 전지가 용량, 무게, 부피, 소비전력 등을 감안해 볼 때 적정할 것 같습니다.

8. 동작검증
8.1 기준점
국립지리원에서는 전국방방곡곡에 소위 지준점이라고 하는 것을 세워 두고 있습니다. 저는 어부지리 격으로 이러한 기준점에 본 수신기를 놓아보고 어느 정도 오차가 있는가 하는 방식으로 정밀도를 검증해 볼 수 있었습니다.

8.2 정밀도 실측결과
- 측정장소 : 경기도 안양시 평촌중앙공원 내 기준점
- 측정일시 : 2014.8.15, 07:47:05
- GPS 매뉴얼에 의하면 DGPS 모드일 때 2.5M이하의 정밀도를 보인다고 서술되어있습니다. 실측결과 위도에서 약 1.7M의 오차를 경도에서 1.1M의 오차를 보이고 있는데 일단은 오차범위 내에는 들어 있다고 볼 수 있을 것 같습니다.

※ 위도와 경도 1°의 거리 계산법

8.3 실제 도로주행 결과
· 테스트일시 : 2014. 8.18, 09:34.40경
· 테스트장소 : 경기도 안양시 평촌중앙공원 일원
· 테스트조건 : 스마트폰(Vega No.6), DGPS Client v1.0.9(아센코리아), RTCM, GPS수신기 AKS6H, FB155BC
· 주행궤적 : DGPS Client 로부터 NMEA 데이터 저장 ▶ Route Converter ▶ 구글어스(GPX DATA Loading)
· 테스트결과 : 아래 적색선이 주행궤적이며 차량통행이 적고 고층건물이 거의 없는 하단부는 3회 주행선이 상당히 겹쳐 있으나 상단부는 다소 궤적오차를 보여주고 있습니다. 이는 주변 건물 등에 의한 전파교란이 있는 것으로 보여지며 SBAS 등 DGPS가 가동 중인 상태에서 2.5M이내의 정밀도를 갖는다는 제품정보대로 무난하게 작동해 주고 있음을 알 수 있습니다.

9. 결론
이 일을 시작하며 RTCM에 대한 환상이 상당히 컸던 것은 사실입니다.
3만원 남짓하는 저렴한 GPS 모듈을 RTCM모드로 동작시키면 정밀도가 매우 뛰어나지 않을까 하는 막연한 기대도 있었습니다만 해보지 않고는 속단할 수가 없었고 주변에서도 마땅한 정보를 입수하기도 어려웠습니다. RTCM 모드이건 SBAS모드이건 모두 에러에 대한 보정을 해주는 상황이므로 보정을 받기 전 자신이 정교하게 수신이 될 수 있는가가 중요한 요소가 됨을 뼈저리게 깨달았습니다. 즉, 보다 큰 수신안테나, 보다 감도가 좋은 안테나, 보다 강력한 GPS컨트롤러, 보다 많은 위성을 강력하게 수신할 수 있는 체계가 우선이 되고 이렇게 구비된 여건에서 에러 보정 시그널을 받아들인다면 충분히 고정밀도 GPS수신체계를 만들 수 있을 것 같습니다.
여기에도 엄연히 트레이드오프가 존재하는 것이 고정밀, 소형화를 추구한다면 극복해야할 문제가 바로 수신안테나라고 봅니다.
패치안테나 만으로는 고감도 수신기 제작에 한계가 있을 수밖에 없을 것이고 그렇다고 고감도 Active 안테나를 접목하면 부피가 커지는 문제가 수반될 것이기 때문입니다.
소형, 고정밀 GPS와 관련된 기술이 꾸준히 연구될 것으로 보며 머지않아 우리들 스마트폰에서도 수십 Cm급 정밀도를 갖는 GPS모듈이 탑재될 것으로 예상해봅니다.
그때쯤이면 아마 차선안내 네비게이션도 등장할 것입니다.

>나비양 : “지금은 2차선에서 주행중인데 1차선으로 얼릉 갈아타세요~”
>운짱맨 : 애가 내가 2차선에 있는걸 우째 안당가? 고거 참 희안하구먼~

마무리
끝으로 고층건물 창밖으로 늦은 밤이면 깜빡거리는 이상한 물체를 내미는 우리집에 대해 아무도 수상한 사람 산다고 신고해주지 않아서 다행스러웠고 틈만 나면 안방을 무슨 연구소 개발실 마냥 써먹는 철없는 남편에게 잔소리에 핀잔보다는 또다시 병원신세 질까봐 걱정해주는 아내에게 고맙고 미안한 맘이 앞섭니다. 감사합니다.

참고자료
1. 해양수산부위성항법중앙사무소
(http://www.ndgps.go.kr/html/kr/index.html)
2. 한국항공대학교 항법 및 정보시스템 연구실
(http://nisl.hau.ac.kr/index.html)
3. 서울대 GNSS연구실(http://gps.snu.ac.kr)
4. [논문]전국망 위성항법보정시스템(NDGPS)의 측위 정확도 분석 및 이용활성화 방안,2007.2, 군산지방해양수산청 위성항법중앙사무소
5. [기술동향]항공우주산업기술동향 8권2호(2010)pp.46-53, 위성항법시스템 운영현황 및 개발계획(하지현, 천세범)
6. [논문]한국항해항만학회지 제38권 제2호, 위성배치정보와 보정정보 맵핑 알고리즘을 이용한 저가형 GPS수신기의 DGPS 서비스 적용방안 연구(박병운, 윤동환)
7. [논문] 해양용 위성항법보정시스템(DGPS) 활용 다양화에 관한 연구(2004.2)
8. [번역본]NTRIP 프로토콜을 통한 RTK와 실시간 DGPS 보정 위치정보 테스트 결과 (http://www.isprs.org/congresses/beijing2008/proceedings/2_pdf/13_SS-15/04.pdf)
9. 펌테크(http://www.firmtech.co.kr)
10. 아센코리아(http://freenavi.co.kr)

한국 NI에서 알려주는 측정/센서 필수 길라잡이 1 

글 | 한국 NI, SW 및 측정 담당 이지석

1. 측정 기본

측정은 다른 말로 데이터 수집(Data Acquisition : DAQ) 이라고도 합니다. 데이터 수집은 시스템의 모니터링을 위해서 필수적이며 측정된 데이터를 기반으로 새로운 개선이 이루어집니다. 측정의 쉬운 예로 In-vehicle 데이터 수집이 있습니다. 이 데이터 수집에서는 진동, RPM, 변형률, 온도, 토크, 하중, 압력, 속도 등이 한 번에 측정됩니다. 이러한 다양한 값들은 경우에 따라 개별적으로 또는 함께 이루어져야 합니다.

우리가 측정 시 많이 사용하는 제품은 아래 그림과 같은 오실로스코프입니다. 오실로스코프를 사용하여 측정 중인 신호를 분석하며 신호의 결과를 저장합니다.

다른 방식의 계측기로 PC 기반의 데이터 수집이 있습니다. 아래의 DAQ 보드는 오실로스코프가 가지고 있는 모든 기능들을 제공하지만 디스플레이, 스위치등은 PC에서 담당하기 때문에 기존 오실로스코프보다 훨씬 소형입니다.

데이터 수집은 프로그램상의 User Interface를 통해 컨트롤되고 모니터링되며 PC를 통해 FFT와 같은 분석들을 실시간으로 수행할 수도 있습니다.
PC기반 DAQ 시스템은 가장 빠르게 발전하고 있는 상용 컴퓨터의 CPU, 디스플레이, 통신 기능들을 활용하기 때문에 소형이면서도 강력한 성능을 가지고 있습니다. 본 측정 기본 세션에서는 PC기반 데이터 수집을 중심으로 진행되지만 기본 개념은 모든 종류의 데이터 수집 어플리케이션이 동일합니다.
PC기반 데이터 수집 시스템에서 제일 먼저 살펴보아야 할 부분은 센서입니다. 센서는 온도를 측정하는 열전쌍(Thermo Couple)부터 소리를 측정하는 마이크로폰까지 다양한 종류가 있습니다. 각각의 센서에 대해서는 이어지는 글 들에서 다루도록 할 것이며 우선은 전반적인 센서의 의미에 대해 다루도록 하겠습니다.

센서의 목적은 빛, 온도, 압력, 위치, 소리, 기타 물리현상을 측정 가능한 전기 신호인 전압이나 전류로 변환하는 것입니다. 이와 같은 신호 유형을 아날로그 신호라고 합니다. 오른쪽의 신호에서 보이는 것처럼 아날로그 신호는 시간에 따라 특정 값을 가지고 있습니다.

위의 그림처럼 물리적인 현상을 측정하기 위해서는 특정 유형의 센서가 사용됩니다. 하지만 각각의 센서 종류별로 다른 출력특징들을 가지고 있기 때문에 신호의 조작이 필요하며 이러한 조작을 신호 컨디셔닝이라고 합니다.

그림에 표시된 것과 같이 DAQ Device 부분에서 아날로그 신호를 디지털로 변환하기 전에 신호 컨디셔닝을 수행합니다. 최근에 출시되는 DAQ 디바이스는 신호 컨디셔닝까지 포함하고 있는 경우가 많습니다. DAQ 디바이스는 처리된 신호를 PC가 이해할 수 있는 디지털 신호로 변환합니다.
신호 컨디셔닝에 대한 이해를 돕기 위해 열전쌍 신호를 예로 들어 보겠습니다. 일반적으로 열전쌍에서는 ±80mV의 신호가 출력됩니다. 이러한 신호는 일반적인 DAQ 디바이스가 효과적으로 측정하기에는 너무 작은 범위입니다. 이를 수정하기 위해 신호를 6배로 증폭하여 범위를 ±80mV에서 ±4.8V로 증폭할 수 있습니다. 상당수의 DAQ 디바이스는 ±5V 정도의 범위를 가지고 있으므로 이 범위를 최대한 활용할 수 있습니다.

또한 노이즈를 줄이기 위해 로우패스 필터를 통해 높은 주파수의 노이즈들을 제거할 수도 있습니다.
이처럼 열전쌍을 포함한 대부분의 센서는 DAQ 디바이스가 측정할 수 있는 신호를 측정하기 위해 신호 컨디셔닝이 필요합니다. 아래 표에는 각각의 센서와 필요한 신호 컨디셔닝이 정리되어 있습니다.

신호를 컨디셔닝 한 뒤에는 ADC라고 불리는 아날로그 디지털 컨버터를 이용하여 신호를 아날로그에서 디지털로 변환하여야 합니다. 앞에서도 언급했듯이 센서출력 신호는 아날로그 신호입니다.
아날로그 신호의 세 가지 특성은 레벨, 모양 그리고 주파수입니다.

레벨은 신호의 진폭으로 실내의 온도나 광원의 강도를 알려줍니다. 모양을 알고 있는 경우 신호를 더욱 자세히 분석 할 수 있습니다. 센서신호의 일반적인 모양은 사인파, 사각파, 삼각파입니다. 이러한 모양 정보를 통해 피크 전압이나 기울기와 같은 데이터를 생성할 수 있습니다. 주파수는 음성, 진동 분석과 같은 어플리케이션에서 중요하게 사용됩니다.

디지털 신호의 중요 파라미터는 상태와 속도입니다.

상태에는 High와 Low가 있으며 이러한 상태가 얼마나 빨리 변하는가를 속도라고 합니다.
DAQ 디바이스는 이처럼 아날로그 신호를 디지털로 변경해주는 역할을 하며 측정 엔지니어는 DAQ 디바이스가 신호를 변경할 때 어떤 영향을 미치는지 알고 있어야 합니다. 이 부분에서 고려해야 할 사항은 여러 가지가 있지만 그 중에 분해능(Resolution), 범위(Range) 그리고 속도(Rate)가 중요합니다.

분해능은 신호가 변환된 후 디지털화된 신호가 아날로그 신호를 얼마나 근접하게 표현할 수 있는지를 결정합니다.

왼쪽 그림에서 센서로부터 수집한 아날로그 웨이브폼을 볼 수 있습니다. 이 웨이브폼을 디지털화하기 위해서는 웨이브폼의 진폭을 DAQ 디바이스의 분해능에 따라 여러 단계로 나누어주게 됩니다. 일반적으로 DAQ 디바이스의 분해능은 비트(bit)로 표현됩니다. 만약 제품이 12비트의 분해능을 가지고 있다면 제품이 측정할 수 있는 최대 범위 (보통 ±5 또는 ±10)를 2bit로 나눈 값이 됩니다. 예를 들어 우측의 그림처럼 3bit 분해능을 가지고 측정 범위가 ±10이라고 하면 실제 분해능은 20/23 = 2.5가 됩니다. 따라서 해당 DAQ 디바이스는 2.5보다 작은 신호가 들어온 경우 제대로 인식하지 못할 수 있으며 모든 값들이 2.5 간격으로 표시되게 됩니다. 따라서 들어오는 신호를 얼마나 세밀하게 봐야 하는지를 확인한 후 분해능을 그 이상으로 선택하여야 합니다.

다음으로 범위에 대해 알아보겠습니다. 신호 컨디셔닝에서 언급했듯이 아날로그 신호가 DAQ 디바이스가 가진 모든 범위를 활용하게 해 주는 것이 중요합니다. 그림의 왼쪽 부분과 같이 ±2V의 신호를 ±10V의 장비로 측정한다면 나머지 구간은 사용하지 않게 됩니다. 이 때 분해능은 ±10V를 기준으로 구성되기 때문에 신호도 자세하게 보기 어려워 집니다. 하지만 범위가 ±2V가 된다면 훨씬 더 자세히 신호를 볼 수 있게 됩니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 두 가지 방법을 생각해 볼 수 있습니다. 하나는 신호 컨디셔닝을 통해 신호를 DAQ 디바이스의 범위에 맞추는 것, 다른 하나는 디바이스의 범위를 변경하는 것입니다. 일부 디바이스는 소프트웨어적인 설정을 통해 범위를 변경할 수 있게 설계되어 있습니다.

마지막으로 속도에 대해 알아보겠습니다.
아날로그 신호를 디지털로 변환할 때, 신호의 모든 특징을 캡쳐하기 위해 아날로그 신호를 특정 속도로 반드시 샘플링해야 합니다. 만약 샘플링하는 속도가 너무 늦다면 PC에서 보여지는 신호는 원래 신호와 다른 모습을 가지게 될 것 입니다. 예를 들어 아래의 그림처럼 10Hz의 신호를 11Hz 속도로 샘플링 하게 되면 원 신호와 다른 적색 파형을 보게 됩니다.

주어진 신호의 적절한 샘플 속도는 나이퀴스트 이론에 따라 결정됩니다. 주파수 특징을 유지하기 위해서는 원래 웨이브폼의 최소 2배 주파수에서 샘플링해야 합니다. 웨이브폼에서는 두 배 이상의 속도로 샘플링 한 경우 아래 그림과 같이 웨이브폼의 주파수뿐 아니라 모양과 레벨의 대략적인 표현도 유지하고 있는 것을 확인할 수 있습니다.

하지만 일반적으로 신호의 모든 특징을 유지하기 위해서는 최대 신호 주파수의 8-10배 샘플링 속도를 이용할 것을 권장합니다. 이 정도의 속도를 사용하게 되면 아래 그림과 같이 신호의 주파수, 모양 및 레벨이 유지되는 것을 볼 수 있습니다.

DAQ 디바이스에서 처리된 신호는 버스를 통해 컴퓨터로 전달됩니다. 이렇게 전달된 데이터는 컴퓨터에 설치된 SW를 통해 분석되고 보여집니다. LabVIEW는 측정 엔지니어들이 가장 많이 사용하는 SW중의 하나입니다. LabVIEW에서 제공되는 완성된 측정 예제들을 통해 엔지니어들은 바로 채널을 셋팅하고 데이터를 저장할 수 있습니다. 아래의 이미지는 LabVIEW에서 기본으로 제공되는 온도측정 예제입니다.

해당 데이터를 추가적으로 분석하고 싶다면 간단히 분석 알고리즘을 추가 해 줄 수 있습니다.
지금까지 PC기반의 DAQ 디바이스를 예로 들어 센서 신호 측정에 대한 필수 사항들을 알아보았습니다. 사실 많은 엔지니어들이 센서에 대해서는 어느 정도 알고 있지만 측정에 대해서는 잘 모르는 경우가 많습니다. 기본적인 측정 지식을 알고 있는 것이 정확한 측정값을 얻을 수 있는 기본이 되므로 금일 다루어진 내용들을 기억한다면 도움이 될 것이라 생각됩니다.

다음 글에서는 본격적으로 각각의 센서에 대해 다루어 보도록 하겠습니다.

글 | 한국 NI, SW 및 측정 담당 이지석

연구실이나 실험실이라고 불리는 곳에서는 언제나 계측기들을 볼 수 있습니다. 예를 들면 오실로스코프, 멀티미터, 파워 서플라이 등이 우리가 가장 흔히 볼 수 있는 계측기입니다. 연구개발에서 가장 중요한 일은 제품을 (또는 과제를) 완성하는 것이며 이러한 개발 과정에는 수 많은 단계들이 있고 개발자들은 매번 어떤 방식으로 다음 단계를 진행할지 고민하게 됩니다. 명확하고 정량적인 결정을 하기 위해서는 지금의 상황을 정확하게 알아야 하며 지금의 상황을 알기 위해 하는 것이 바로 계측기를 통한 측정입니다. 이런 이유로 수 많은 실험실에서 비싼 가격에도 불구하고 계측기들을 보유하고 있습니다.

만약 계측기가 정확한 값을 측정하지 못한다면 어떻게 될까요? 지금까지 해 온 많은 연구들이 모두 잘못된 결과를 나타낼 것 입니다. 쉽게 예를 들어 자동차의 ECU를 개발하는 엔지니어가 잘못된 측정값을 가지고 알고리즘을 개발한다면 차량이 오동작하여 큰 사고로 이어질 수 있을 것 입니다.
이렇게 중요한 계측기들은 지금 어떤 상태에 있는지 본인의 연구실에 있는 계측기들을 한 번 살펴보십시오. 초록색 그래프 인디케이터를 가지고 있는 오실로스코프는 어디에 쓰이는지 모르는 수 많은 버튼들을 가지고 있고, 그 옆에는 필요할 때마다 사인파, 삼각파를 내어주는 펑션 제네레이터가, 그리고 무거워서 옮길 때마다 힘이 드는 파워 서플라이들이 있을 것입니다.

잠시 계측기의 영역에서 벗어나서 최근에 일반적으로 많이 사용되는 기술들에 대해 살펴보겠습니다. 이러한 최신 기술들을 가장 많이 볼 수 있는 것은 바로 여러분의 주머니에 있는 스마트폰입니다. 2000년대 중반만 해도 대부분이 폴더로 접히는 방식의 피쳐폰을 사용하고 있었던 반면에 10년이 채 안된 오늘날, 대부분의 현대인들이 스마트폰으로 다양한 작업들을 하고 있습니다. 짧은 시간 동안에 많은 사람들이 스마트폰 시장으로 이동한 가장 큰 이유는 바로 스마트폰에 적용된 최신 기술들 때문입니다.
아래 표에서 피쳐폰과 스마트폰의 차이를 간략히 살펴보겠습니다.

스마트폰이 제공한 기술은 사용자가 원하는 대로 빠르게 반응하는 터치패널, Wifi를 통한 인터넷 사용, 그리고 앱을 통한 확장입니다. 이러한 세 가지 기능은 서로 합쳐져 엄청난 시너지를 가져왔습니다. 바로 생산자가 정의하던 장비의 기능들을 사용자가 정의할 수 있게 된 것입니다. 이제 생산자는 단지 사용자가 꾸밀 수 있는 플랫폼만을 제공할 뿐이고 사용자는 원하는 앱을 다운로드하여 스마트폰을 나만의 기계로 바꿀 수 있게 됩니다. 이 과정에서 Wifi는 데이터를 자유롭게 전송할 수 있게 해 주며 터치패널은 입력 버튼이 가지고 있던 한계들을 없애주었습니다.

자, 이제 다시 계측기의 세상으로 돌아가도록 하겠습니다. 위에서 살펴본 것과 같이 지난 10년 간 기술은 비약적으로 발전하였습니다. 그렇다면 우리의 계측기도 좋아졌을까요? 답은 대부분 “아니오” 입니다. 계측기는 여전히 알 수 없는 버튼들을 주렁주렁 달고 있으며 매뉴얼은 어디 있는지 찾을 수도 없어 매일 쓰는 몇 가지 기능만을 반복해서 쓰게 되고 무거운 계측기들을 이곳 저곳으로 옮겨야 합니다.
스마트폰이 이렇게 발전하는 동안 계측기는 무엇이 변화한 것일까요? 혹시 계측기는 스마트폰과는 너무나도 다른 구조이기 때문에 발전할 수 없는 것 일까요? 사실 스마트폰과 PC 그리고 계측기는 모두 유사한 구조를 가지고 있습니다.

스마트폰, PC 그리고 계측기는 모두 기본적으로 위와 같은 구조를 가지고 있습니다. 다만 계측기가 다른 점이 있다면 측정에 특화된 보드를 더 가지고 있다는 점 입니다. 쉽게 생각하면 우리가 PC를 업그레이드 하기 위해서 PCI에 꽂던 그래픽 카드처럼 측정 보드가 꽂혀있다고 생각 해 볼 수 있을 것입니다. 따라서 계측기도 충분히 스마트폰처럼 발전할 수 있습니다.
버츄얼벤치(VirtualBench)는 변화하지 않는 계측기 시장의 틀을 깨고 최신 기술들을 도입한 새로운 측정장비입니다.

버츄얼벤치는 실험실에서 가장 많이 쓰이는 오실로스코프, 펑션 제네레이터, 디지털 멀티미터, 파워 서플라이, 디지털 입출력을 한 손으로 가볍게 들 수 있는 작고 가벼운 하나의 장비에 집적하였습니다. 노트북이나 PC에 USB로 연결하여 전용 SW로 빠르게 측정할 수 있으며 휴대성을 높이기 위해 iPad로 바로 무선으로 연결하여 측정할 수도 있습니다. 무료로 제공되는 전용 App을 다운로드하여 가벼운 터치만으로도 다섯 가지 기능을 쉽게 사용하여 측정하고 측정한 데이터나 스크린 이미지를 저장하거나 전송할 수 있습니다.

가볍게 들고 다니며 무선으로 바로 연결하여 측정할 수 있는 버츄얼벤치는 다섯 가지 장비가 하나에 집적되었다는 물리적인 장점 말고도 내 PC로 원하는 대로 계측기를 제어할 수 있다는 또 다른 큰 장점을 가지고 있습니다. 예를 들어, 하나의 테스트에서 12V의 파워를 준 뒤 전압을 측정하고 다시 5V를 준 뒤 측정, 이와 유사한 과정들이 반복되는 경우, 이 전에는 엔지니어가 일일이 계측기를 조절해야 했던 반면 버츄얼벤치는 기본으로 제공되는 예제들을 통해 LabVIEW로 쉽게 자동화할 수 있습니다. 이런 방식으로 이 전의 계측기들이 피쳐폰처럼 개발사가 제공하는 기능들을 사용했던 것과는 달리 사용자가 원하는 대로 계측기의 기능을 변경할 수 있습니다.
계측기는 앞으로 더욱 더 많은 기술들을 포함하게 될 것이며 이러한 최신 기능들을 잘 사용하는 엔지니어들이 짧은 시간에 더 많은 일들을 해낼 수 있을 것입니다. 버츄얼벤치와 계측기의 미래에 대한 내용들을 Ni.com/virtualbench 에서 확인해 보시기 바랍니다.

센서를 이용한 유모차의 브레이크 시스템

글 | 단국대학교 죽전캠퍼스 최창훈, 이건주, 황인욱, 이현의, 안도건

심 사 평
싱크웍스 안전 장치로써 중요한 부분이나 결과 시험 데이터가 없어서 완성도를 알 수 없다.
jk전자 결과 보고서에도 언급이 되어있는 내용대로 서보 모터를 이용한 브레이크를 구현한 부분에서 브레이크의 역할을 제대로 하지 못할 수도 있는 부분이 아쉽다. 하지만 나머지 작품의 완성도와 보고서에 있는 팀원들간의 회의록을 보았을때 팀원 모두가 골고루 참여해서 만들어낸 작품이라는 생각이 들고 유모차에 제동장치는 반드시 필요한 기능인 것 같다.
뉴티씨 어린 아이가 있는 부모라면, 누구나 한번쯤은 유모차를 가지고 아차하는 생각이 들 때가 있을 것이다. 또한, 그런 상황이 생기지나 않을까 우려하는 생각들이 많이 든다. 이러한 부분에서, 좋은 생각이라고 생각이 들지만, 실제에 맞게 구현되지 못하였다는 점에서 작품 완성도와 기술성에 낮은 점수를 주었다. 하지만, 실제로 이러한 것들이 사용할 수 있을 정도로 구현된다면, 좋은 기술이 아닐까 생각된다. 잠시 비상 상황에 대한 대비를 하는 것으로 배터리의 무게 등을 줄일 수도 있을 것으로 생각된다. 알람등을 알려주어, 부모에게 잠시 버티는 동안 다시 유모차를 안전하게 할 수 있도록 하는 것도 필요하리라 생각된다.

1. 요약
유모차의 4가지 조건은 승차감, 핸들링, 편의성 그리고 마지막으로 안전성이다. 따라서 우리는 아이의 안전을 최우선으로 하여 안전성을 갖춘 유모차를 제작하고자 이러한 제품을 구상했다.
우리 조가 구상한 유모차는 초음파 센서와 서보모터를 이용한다. 먼저 유모차 손잡이에 부모의 손을 감지할 수 있는 초음파 센서를 달고 손이 센서에서 떨어지면 서브모터가 작동해 바퀴에 브레이크를 건다.
이번 프로젝트의 가장 기반이 되는 제어장치인 아두이노는 오픈소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로 컨트롤러이다. 아두이노는 다수의 스위치나 센서로부터 값을 받아들여 외부 전자 장치들을 통제함으로써 환경과 상호작용이 가능한 물건을 만들어낼 수 있다.
손잡이에 부착할 수 있는 기기 중 생각했던 것이 적외선 센서, 스위치, 그리고 초음파 센서이다.
반사된 빛의 값을 Analog 값으로 받아 들여서 그 값이 특정한 범위 내에 있을 때 작동하게 하려고 했던 적외선 센서는 시간과 장소에 따라서 그 값이 크게 변할 수 있기 때문에 부적절하다고 판단했다. 또한 스위치는 곡선인 손잡이의 모양 때문에 부착이 힘들고 신체가 손잡이로부터 떨어져 있는지 알아내기에 힘들다는 의견이 나와서 제외했다. 마지막으로 초음파 센서는 적외선 센서처럼 물리적으로 직접 힘을 가하지 않아도 사용이 가능하기 때문에 손잡이에 부착할 센서로 가장 적합하다는 결론을 내렸다.
정리된 내용을 바탕으로 본 디바이스를 제작함으로써 유모차 운전 중 부주의로 발생할 수 있는 안전사고를 미리 차단하여 영유아 유모차 사고율의 감소를 기대할 수 있다.

2. 서론
유모차가 경제성을 띄기 위해서는 4가지 조건을 필요로 한다. 첫 번째로 승차감이다. 유아가 이동할 때 느끼는 승차감이 부모들이 가장 우선시하는 요인 중 하나일 것이다. 어떤 부모이던 간에 아이의 편안함이나 안전을 먼저 생각하기 때문이다. 두 번째로 핸들링이다. 아이들을 데리고 다니는 것에 대한 부모들의 부담을 줄여주려면 핸들링 또한 유모차를 선택하는 데에 있어 중요 요인이 될 수 있다. 다음으로는 편의성이다. 아이와 원하는 곳까지 이동하고 나서 유모차의 수납공간이 문제가 될 것이다. 얼마나 부피를 차지하는지, 휴대하기 편한지 등등의 문제가 바로 그 것이다. 마지막으로 가장 중요한 것은, 아이의 안전성이다. 아무리 승차감이 좋고, 부모들이 운전하기 좋고, 휴대하기 편해도 아이의 건강에 문제가 될 위험이 있다면 부모들은 절대 그 제품을 구매하지 않을 것이다.
따라서 우리는 아이의 안전을 최우선으로 하여 안전성을 갖춘 유모차를 제작하고자 이러한 제품을 구상했다.
다음은 유모차 안전사고와 관련한 2010년의 한 기사를 발췌했다.
“사고내용은 타박상과 좌상, 부종이 81건(36.4%)으로 가장 많았고, 베인 상처와 열상 71건(32.0%), 뇌진탕 21건(9.4%) 등의 순이었다. 접이식 유모차에 유아의 손가락이 끼어 손가락이 절단되는 사고도 2건이 접수됐다. 사고원인의 절대다수는 추락이나 넘어짐, 미끄러짐(189건)이었고, 유모차에 눌리거나 끼어 발생한 사고(27건), 충돌, 충격(10건) 등의 순이었다.”
이를 통해 우리는 근본적인 유모차의 문제점은 ‘브레이크 시스템’이라는 것을 느꼈다. 따라서 수동으로 제어하는 기존 제품들의 브레이크보다는 조금 더 확실하고 안전한 브레이크 시스템이 도입되어야 한다고 생각했다. 우리가 생각한 큰 틀의 아이디어는 손잡이에 센서를 달아서 운전자의 손이 손잡이를 떠났을 때를 인식하고 브레이크를 잡는 시스템이다. 유모차 모형을 제작하여 여러 가지 센서들(초음파 센서, 스위치 센서, 적외선 센서)의 효율을 비교하여 결론을 도출할 것이다.

3. 본론
3.1 설계
(1) 아두이노(Arduino)
요즘 대부분의 가전 제품에는 아주 조그마한 컴퓨터가 들어가 있다. 예를 들어 우리가 항상 마주하고 있는 텔레비전의 경우에도 그 안에 조그마한 컴퓨터가 들어가 있어서 우리가 리모컨을 조작했을 때 동작을 인식하게 된다. 텔레비전 내부의 소형 컴퓨터처럼 회로기판 모양의 하드웨어 제어장치로는 아두이노, 아트메가 등이 있다. 그 중 우리는 디바이스 제작을 위해 아두이노를 사용한다.
아두이노(Arduino) 오픈소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로 컨트롤러(MCU)이다. 아두이노는 다수의 스위치나 센서로부터 값을 받아들여, LED나 모터와 같은 외부 전자 장치들을 통제함으로써 환경과 상호작용이 가능한 물건을 만들어낼 수 있다. 또한 하드웨어 가격이 다른 모듈 제품에 비해 저렴하고, Windows, Mac, Linux 같은 여러 OS를 지원하는 멀티 플랫폼 환경이다.
아두이노의 가장 큰 장점은 마이크로컨트롤러를 쉽게 동작시킬 수 있다는 것이다. 일반적으로 AVR 프로그래밍은 WinAVR로 컴파일하여, ISP장치를 통해 업로드를 해야 하는 등 번거로운 과정을 거쳐야하는데 비해, 아두이노는 컴파일된 펌웨어를 USB를 통해 업로드를 쉽게 할 수 있다. 그리고 아두이노가 주목을 끄는 큰 이유는 하드웨어와 소프트웨어가 모두 오픈 소스를 바탕으로 만들어졌기 때문이다. 오픈소스 플랫폼으로 소스코드가 공개되어 있어 사용자가 원한다면 공개된 스펙을 바탕으로 손쉽게 새로운 기능을 추가하거나 기존 기능을 변경할 수 있다. 또한 다른 마이크로 컨트롤러와는 다르게 아두이노의 통합개발 환경은 다양한 운영체제에서 실행이 가능하도록 개발되었으며 IDE를 통해 한 번의 클릭으로 코드를 컴파일해서 아두이노 보드에 프로그램을 업로드할 수 있다. 따라서 코딩작업이 쉽고 수십가지의 프로그래밍 예제가 소프트웨어 안에 포함되어 있어, 전자, 전기, 컴퓨터 분야를 제외한 인문/사회, 예술 분야에서도 다양하게 활용되고 있는 추세이다.
아두이노의 또 다른 특징으로는 쉴드(shield)로 불리는 다양한 추가 모듈과 연결할 수 있는 표준 연결 방식이 정의되어 있다는 점이다. 쉴드 보드는 일종의 확장 보드로 생각할 수 있으며 아두이노 보드에 수직으로 장착하면 아두이노 보드에서 제공하지 않는 기능을 쉽게 구현할 수 있도록 해준다.

[그림 1.1]은 이더넷과 LCD 표시 장치를 위한 쉴드의 예를 보여주고 있으며 [그림 1.2]에서처럼 여러 개의 쉴드를 적층하여 동시에 사용하는 것도 가능하다.

아두이노는 C++을 기반으로 만들어졌으므로 스케치를 컴파일하고 실행시키기 위해서는 시작점인 main 함수가 반드시 필요하다. 하지만 아두이노 프로그램은 스케치를 위한 코딩을 최소화하기 위해 자동으로 main 함수를 추가하고 이를 프로그래머가 직접 작성하지 않아도 되도록 해줌으로써 쉽고 빠르게 프로그램을 작성할 수 있도록 해준다. 현재 가장 많이 사용되는 보드는 Arduino UNO로 Arduino UNO, Arduino UNO R2, Arduino UNO R3로 개정되어 왔다. 그 중 우리가 사용하는 아두이노 보드는 Arduino pro mini다. arduino pro mini는 일종의 아두이노 미니 버전으로 3.3V 시스템이며 8Mhz 부트로더가 동작한다. 본 제품은 아두이노 UNO와는 다르게 헤더나 USB 등이 없다. 미니 버전답게 가격이 저렴한 것이 장점이며, 보드 상에 전압 레귤레이터가 있어 12V DC까지의 전압을 받아들일 수 있다. 만약 정류되지 않은 전원을 사용중이라면 VCC가 아닌 RAW핀에 연결하여야 한다.

(2) 적외선 센서

적외선 센서는 적외선을 이용해 온도, 압력, 방사선의 세기 등의 물리량이나 화학량을 검지하여 신호처리가 가능한 전기량으로 변환하는 장치이다. 스스로 적외선을 복사하여 빛이 차단됨으로써 변화를 검지하는 능동식과, 자체에는 발광기를 가지지 않고 외계로부터 받는 적외선의 변화만을 읽어내는 수동식이 있다. 우리가 사용할 적외선 센서의 종류는 능동식이다.
그 외에도 여러 가지 종류의 적외선 센서가 있다. 크게 나누면 양자형과 열형으로 나누고, 양자형에는 광기전력 효과를 중심으로 포토다이오드, 태양 전지 등이 있고, 광도전 효과를 이용한 PbS, CdS 셀 등이 있다. 반면 열형 센서는 열기전력 효과를 중심으로 서모 파일, 초전효과를 중심으로 PZT, LiTaO3 등이 있으며, 열전도 효과를 이용한 것은 서미스터와 볼로미터가 있다.
또한 인간센서라 부르는 적외선 센서도 존재하는데, 말 그대로 인간의 존재를 감지하는 센서를 말한다. 예를 들면 CCD 카메라로 촬영화상을 분석한다든가 이동체의 형상, 통과 물체의 크기, 중량, 체온 등을 종합적으로 분석하여 판단하는 방법이 있다. 그러나 이 가운데 가장 신뢰성이 있는 것은 인체에서 나오는 적외선을 감지하는 방법이다. 인체에서 나오는 적외선 크기는 6~14㎛의 파장영역을 가지고 있으므로 이 파장을 검출하는 초전 적외선 센서를 이용하면 된다.
초전 적외선 센서가 가지고 있는 특징은 필터를 거쳐 센서내로 조사되는 적외선을 열로 바꾸어 검출하므로 측정 대역이 0.2~20㎛로 넓기 때문에 특정파장만 통과할 수 있도록 실리콘이나 밴드패스 필터를 자재로 사용한다.

(3) 초음파 센서
초음파란 20kHz 이상의 주파수를 가지는 음파이다. 인간이 청취할 수 있는 가청주파수가 16Hz~20,000Hz이기 때문에, 초음파는 우리의 귀로 듣는 것을 목적으로 하지 않는다. 초음파가 쓰이는 용도로는 비파괴 검사 기기, 인체 진단 및 치료, 두께 혹은 점도 측정기, 세척기, 용접 등등이 있다.
초음파의 종류로는 크게 종파, 횡파로 나뉘며 종파는 입자의 진동방향이 파의 진행방향과 같은 파이며 고체, 액체, 기체 중에서도 진행이 가능하다. 음파 중에서 가장 빠르다는 장점을 가지고 있다. 횡파는 입자의 진동방향이 파의 진행방향과 수직인 파이며 액체와 기체 중에서는 소멸되는 특징이 있다. 속도는 종파속도의 절반 정도이다.

계측수단으로서의 초음파의 장점은 다음과 같다. 첫 번째로, 파장이 공기 중에서는 10mm, 액체·고체 중에서는 1mm 이하로 짧기 때문에 지향성, 직진성이 높다. 두 번째로는 전파속도가 공기 중에서는 340m/s, 고체 중에서는 5000m/s 정도로 일정하다. 세 번째로 투과매질이 기체, 액체, 고체, 투명체, 불투명체 다양하다. 마지막으로, 액체와 고체의 경계면에서 반사, 굴절, 회절 성질을 가진다. 즉, 계면에서 반사 및 투과, 공기층과 만나면 100% 반사한다.

초음파 센서의 작동원리는 다음과 같다. 대부분의 BWS용 초음파센서는 40kHz의 초음파를 발산하게 되는데 음파가 물체에 부딪쳐 되돌아올 때까지의 시간을 측정함으로서 물체까지의 거리를 측정한다. 음파는 15℃에서 초당 약 340m/s의 속도를 갖는다. (거리를 측정할 때에는 반드시 속도에 대한 정보가 필요하다.)
△t초 동안 발신된 주파수가 물체에 부딪쳐 다시 수신되기까지의 거리는 V(340m/s)× △t(s)이다. 하지만 거리는 초음파를 발신해 수신된 왕복거리이므로 이것을 L ½한 V×△t×½이 물체까지의 거리임을 알 수 있다.

(4) Servo Motor
서보모터(servo Motor)는 모터와 제어구동보드(적당한 제어 회로와 알고리즘)를 포함하는 것으로 모터 자체만 가지고 서보모터라 하지 않는다.
즉 서보모터라는 개념이 모터의 구동시스템까지 포함하는 것이기에 모터 자체만 가지고 이게 서보모터냐 아니냐를 따지는 것은 아니다.

서보(servo)라는 용어는 추종한다, 혹은 따른다는 의미로서 명령을 따르는 모터를 서보모터라고 한다. 공작기계, CCTV카메라, 캠코더, DVD, 프린터 등에 사용되는 모터처럼 명령에 따라 정확한 위치와 속도를 맞출 수 있는 모터를 서보모터라 한다. 어떠한 종류의 모터라 하더라도 적당한 알고리즘과 회로를 가지는 구동시스템을 갖다 붙여서 위치와 속도를 추종할 수 있도록 만들면, 서보시스템이 이루어지는 것으로 모터와 기계부, 제어구동 S/W가 결합된 제어추종시스템을 말한다.
즉, 서보시스템의 블록도를 보면, 명령 장치로부터 제어목표값(위치, 속도, 기타)을 지시받고 검출기를 통해서 현재값(위치, 속도, 기타)을 검출하여 목표값 대비 현재값의 차이가 항상 작게 만드는 피드백 회로임을 알 수 있다.

(5) 결론
1) 스위치

스위치는 물리적으로 버튼을 눌렀을 때 작동을 하기 때문에 상대적으로 오차가 적다. 반면, 버튼을 직접 눌러야하기 때문에 생기는 불편함과 손잡이가 곡선인 것을 감안하면 유모차로부터 떨어져있는지 여부를 판단하는 용도로는 부적절하다는 결론을 내렸다.

2) 적외선 센서

적외선 센서는 스위치처럼 물리적으로 버튼을 누르지는 않지만, 반사되어 들어오는 빛의 값에 일정한 임계치를 설정해서 센서의 전방에 물체가 있는지 파악할 수 있는 원리이다. 하지만, ‘반사된 빛’이라는 것은 시간과 장소에 따라서 크게 변할 수 있기 때문에 사람과 유모차 간의 거리를 판단하는 용도로는 부적절하다는 결론을 내렸다.

3)초음파 센서

초음파 센서는 적외선 센서처럼 물리적으로 직접 힘을 가하지 않아도 사용이 가능하기 때문에 1차적으로 용의하다는 의견이 나왔고, 적외선 센서처럼 시간이나 장소에 크게 영향을 받지 않기 때문에 초기에 나왔던 세 가지의 센서 중에서 초음파 센서가 가장 적합하다는 결론을 내렸다.

(6) 제품 예상도

(7) 회로도

(8) 코딩

4. 결론
4.1 연구결과의 문제점 및 한계점
이번 연구의 목적은 유모차의 안전성 중 가장 중요한 브레이크 시스템을 자동으로 제어하는 것이다. 즉, 유모차 운전 중 부주의로 발생할 수 있는 추락, 미끄러짐 사고를 예방하기 위한 것이다. 이 제품가 상용화가 되었을 때, 이미 보유하고 있는 수많은 유모차들을 외면하고 새로운 유모차를 구입했을 때 발생 할 수 있는 금전적 손실을 방지하기 위해서, 이 제품은 기존에 존재하는 유모차에 탈부착이 가능한 방식을 채택하였다. 하지만 비용적 측면의 한계로 인해 유모차를 구입하지 못하여 모형을 제작하여 사용했다는 점과 여러 가지 경우(브레이크의 종류, 바퀴의 종류 등에 따라 발생 할 수 있는 변수) 등에 대해 실험하지 못하였다는 점에서 이 제품은 향후 개선되고 더 발전 할 가능성이 크다.
실험을 통해 알게 된 한계점은 DC모터와 같이 보다 torque가 높은 장치를 사용하면 보다 높은 안전성을 보장할 수 있지만, 전력공급을 아두이노만으로 했기 때문에 DC모터를 구동시키기에는 전력이 부족했다. 이에 대한 개선책으로는 Li-Polymer 전지를 직렬로 연결하고 보다 높은 전압과 전류를 제공하고, 이를 LM7806 등과 같은 Voltage Regulator 등으로 전압을 안정화시켜주는 등의 방법이 있다.

4.2 본 연구의 기대효과
본 디바이스를 제작함으로써 유모차 운전 중 부주의로 발생할 수 있는 안전사고를 미리 차단하여 영유아 유모차 사고율을 감소시킬 수 있다. 사용자들의 편의를 위하여 센서와 브레이크를 탈부착이 가능한 타입으로 제작하면, 기존의 유모차를 사용하고 있던 사람들 또한 이용할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한 이런 브레이크 제품의 새로운 시장을 기대할 수 있고, 유모차 자체에 이 시스템을 도입하는 새로운 형태의 유모차도 출현할 것이다.

5. 회의록 요약 정리

■ 유모차 바퀴 종류

(1) 한쪽에 바퀴가 2개인 경우 : 바퀴 양 옆에가운데 축에 브레이크를 설치해 안쪽에서 양옆으로 브레이크를 가해 정지시킨다.

(2) 한쪽에 바퀴가 1개인 경우 : 바퀴 브레이크를 설치해 바깥에서 가운데로 브레이크를 가해 정지시킨다.

6. 참고문헌
■ ARDUINO, Open Physical Computing Platform-아두이노 참고문헌
■ 소비자원 “유모차 안전사고 매년 증가” 연합뉴스 2010년 01월 19일 자http://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=102&oid=001&aid=0003080501
■ 유모차용 자동브레이크 시스템 개발저자명 : 김민호(M.H. Kim)외 8명
■ http://www.riss.kr/link?id=A82453611

블루투스 헤드셋+인터콤(20S)

세나 20S는 모터사이클 및 파워스포츠를 위해 특별히 설계된 첨단의 블루투스 헤드셋 겸 인터콤 통신이다. 매끈한 외형의 20S는 공력학적으로 디자인되었으며, 조그다이얼을 이용한 직관적이고 쉬운 조작법은 역동적인 환경에 최고의 파트너가 될 것이다. 오디오 통합 관리 기술, 오디오 멀티태스킹 기능은 음악, 네비게이션 음성안내, FM라디오, 인터콤 등 다양한 동작의 입·출력 소리를 매끄럽게 조합한다.
기술문의 및 AS 관련 신청은 (주)티씨피링크에서 맡고 있으며, 보다 자세한 사항은 디바이스마트 홈페이지에서 확인 가능하다.

세나 20S 주요 기능
· 블루투스 v4.0
· 업계 최초 듀얼 블루투스 모듈 통신 시스템
· 오디오 멀티태스킹 (Audio MultitaskingTM)
· 최대 8명까지 연결가능한 컨퍼런스 인터콤 (Multy-way intercom)

제품구매 하러가기

www.senabluetooth.co.kr

[GoPro] HERO4 카메라 -실버 ADVENTURE 출시

액션카메라 전문기업인 GoPro에서 이번에 HERO4 카메라-실버 ADVENTURE를 새롭게 출시했다. 이 HERO4는 LCD 터치 디스플레이와 스피커를 내장하고 있으며, 와이파이와 블루투스 탑재로 고프로앱이나 스마트 리모컨을 이용하여 카메라와 연결을 할 수 있다. 또한 촬영 중간 중요한 순간을 표시하여 재생하기, 편집하기, 공유하기로 쉽게 확인하여 원하는 작업을 할 수 있다.
하이 퍼포먼스 오디오를 통하여 이전 모델인 HERO3+ 블랙 대비 선명하고 역동적인 음향을 녹음할 수가 있다.
보다 자세한 사양은 디바이스마트 홈페이지에서 확인 가능하다.

HERO4의 상세 기능
· 크기 : 5.8 x 4.0 x 2.0cm(하우징 제외 본체크기)
· 해상도 : 1200만 화소
· 무선와이파이
· 자동저조도
· 내장형 터치 디스플레이, 스피커
· 하이라이트 태크
· 하이 퍼포먼스 오디오

제품구매 하러가기

Tel. 031-798-0860

위드로봇에서 기존 출시한 IMU센서인 myAHRS의 업그레이드 버전인 myAHRS+를 출시했다.
기존 SMD 타입에서 DIP타입으로 변경 되었으며 USB포트를 추가해 쉽게 사용할 수 있도록 업그레이드 됐다. myAHRS+는 관성센서(가속도계, 자이로스코프)와 지자기 센서의 출력을 융합하여 얻은 3차원 공간상의 방위각(Heading)과 자세(Attitude) 정보를 UART/I2C/USB 인터페이스로 출력하는 센서 모듈이다. 다양한 프로젝트에 사용하실 수 있도록 가로 21.0mm x 세로 27.0mm의 초소형으로 제작됐다. 또한, myAHRS+ 설정값 변경, 데이터 값의 그래프, 3D 자세 출력 등을 쉽게 사용할 수 있는 GUI(myAHRS+ Monitor) 프로그램을 제공한다.

16bit 3축 자이로스코프(±2,000dps), 16bit 3축 가속도 센서(±16g), 13bit 3축 지자기센서(±1200μT)를 사용하고 자세 및 센서값을 100Hz까지 출력한다. 또한 여러 센서간 구분이 용이하도록 센서별로 ID를 부여하고 영점 조정 및 파라미터 변경이 가능하다.
보다 자세한 사항은 위드로봇과 디바이스마트 홈페이지에서 확인 가능하다.

제품구매 하러가기
Tel. 02-2117-0255
www.withrobot.com

휴대용 무선 배터리 인두기 BP865 출시

세계적인 공구제조업체 Weller에서 휴대용 무선 배터리 인두기 BP865를 출시했다. 전자제품의 외부현장 A/S수리에 초점을 둔 BP865는 Weller의 Pro 시리즈 중 가장 진보된 모델로서 약 30초안에 작업 가능한 온도에 도달하며, 피로감이 적은 가볍고 편안한 손잡이를 채택하여 장시간 작업을 가능하게 한다.
어두운 곳에서도 편리하게 작업할 수 있도록 LED가 장착되어 있으며, 안전을 위해 캡을 장착하면 자동으로 전원이 차단된다. 6W와 8W 두가지의 온도설정이 가능하며 LED표시로 현재의 설정 온도를 알려준다.
배터리 소모를 줄이기 위해 ON/OFF 스위치가 있으며, 배터리 FULL상태에서 150회 이상 작업이 가능하다. 니켈 도금한 구리팁을 장착하여 최적의 열을 유지하도록 설계되었으며 패키지 안에는 무연 납, 배터리, 보호용 캡, 팁 교환용 린치가 포함되어 있다.
국내에서는 (주)디에이치에스가 수입/공급하며, 제품에 대한 세부 사항은 디바이스마트에서 확인할 수 있고 구매도 가능하다.

제품구매 하러가기

Tel. 051-325-0777
www.dhscorp.co.kr

CAN BUS가 가능한 3축 자이로 가속도 센서모듈(S-GA-CA-100),
MPU-9150(S-GAC-CA-100) 출시

로비텍에서 CAN BUS가 가능한 3축 자이로 가속도 센서모듈(S-GA-CA-100)과 MPU-9150(S-GAC-CA-100)을 출시했다.
GA2CAN, GAC2CAN은 자이로, 가속도, 지자기 센서(GAC2CAN만 해당)가 하나의 패키지로 구성된 센서모듈이다. 3개의 센서는 고성능 마이크로 프로세서를 통해 데이터를 동일 시점에 샘플링하고, 타임스탬프를 제공하고 있다. GAC2CAN은 간단한 명령어 전송만으로 3축 자이로, 가속도, 지자기 값을 획득할 수 있어 다양한 어플리케이션에 쉽게 적용할 수 있으며, 산업용 분산네트워크 통신규약 중 하나인 CAN(Controller Area Network)을 통해 제어함으로써 기타 다양한 모듈과의 통합을 쉽게 해준다. 사용자는 UART 또는 CAN을 이용하여, 로비텍에서 제공하는 유틸리티로 간단하게 설정하여 사용할 수 있다.
GA/GAC2CAN 뿐만 아니라 출시된 다종/다수의 센서 및 기타 제어기들과 하나의 CAN 네트워크로 구성될 수 있다. 이는 시스템 개발에 필요한 시간을 획기적으로 단축시켜 줄 수 있으며, 전장이나 배선이 비교적 간편해 질 수 있음을 의미한다.
전용 프로그램인 MEMS Sensor Monitoring Tool도 제공하여 CAN의 통신설정, 데이터 읽기/쓰기 등을 지원한다. 제품의 자세한 사항은 디바이스마트 홈페이지에서 확인 가능하다.

제원표
■ GA2CAN
· Sensor : Invensense, MPU-6000
· Interface : 400kHz Fast Mode I2C, 최대 20MHz SPI
■ GAC2CAN
· Sensor : Invensense, MPU-9150
· Compass : Full scale range of ±1200μT 3축 디지털 컴퍼스
· Interface : 400kHz Fast Mode I2C

공통사항
· Gyro : ±250, ±500, ±1000, ±2000°/sec 범위의 3축 자이로 센서
· Accelerometer : Programmable full scale ±2g, ±4g, ±8g, ±16g 범위의 3축 가속도센서
· Motion Engine : Digital Motion Processing™ (DMP™)
· Platform : Android, Linux 및 Windows를 지원하는 API 제공
· Gesture : 좌우이동, 확대/축소, 상하이동, 자유낙하 인터럽트, High-G 인터럽트 및 제로모션, 두드리기, 흔들기 등의 동작 감지
· Addition : 디지털 출력의 온도 센서
· Application : 영상촬영 스테빌라이저, ARS, Motion Command, Motion 기반 게임기

제품구매 하러가기

Tel. 070-4651-1584

Wearable Smart Watch

글 | 충북대학교 정보통신공학 조동관, 임현수

심 사 평
싱크웍스 GPS 시계 기능이나 칼로리 측정 등의 기능은 스마트폰에서 모두 할 수 있는 것이고, 압력센서 등을 유선이 아닌 무선으로 처리했다면 큰 의미를 가지겠는데 유선으로 연결하고 MCU에서 처리하는 것은 의미가 없어 보인다. 또한, 시험 결과도 없어서 그나마 만든 내용의 완성도를 알 수가 없었다.
jk전자 ATMEGA를 이용해서 다양한 센서의 활용과 펌웨어부터 안드로이드 APP까지 1개의 작품에 폭넓은 분야의 많은 부분들이 녹아 들어가 있다. 다만 작품의 시간을 표시하는 구현 부분에서 GPS에서 수신된 시간으로만 시간을 표시하게 되면 GPS수신율이 떨어지는 건물 내부에서 시계 기능을 제대로 수행하지 못할 위험이 있다. 그렇기 때문에 GPS수신이 되지 않는 지역에서는 RTC를 이용해서 시간 표시는 계속 했으면 조금더 완성도가 높았을 것 같다.
뉴티씨 건강과 관련된 내용 특히, 만보기는 오랜 시간동안 많은 사람들에 의해서 많은 관심을 끌고 있다. 또한, 현재 삼성의 스마트 와치가 많은 사람들의 호기심과 부러움의 대상이 되고있는 것도 사실이다. 하지만, 밧데리 충전의 불편함, 기능상 보조기능으로만 사용되고, 연결을 해줘야 하는 점 등 불편함이 많은 것도 사실이다. 하지만, 이러한 가운데에서도 새로운 시도로 손목에 차는 형태의 입는 시계를 제작하고, 만보계 기능을 실제 데이터에 입각하여 구현했다는 것도 좋은 시도로 보인다.

1. 작품 개요
1-1. 제작 동기

그림 1. 갤럭시 기어 (출처 : http://blog.naver.com/ulsan78?Redirect=Log&logNo=130186200988)

어떤 과목시간에 기술논문을 썼던 적이 있었다. 처음에 뭐를 할까 생각하다가, 한창 그때는 갤럭시 기어에 대한 광고가 티비에서 많이 나왔다. 조원들 끼리 상의하다가 생소하고, 새로운 것에 대한 기술논문을 쓰고 싶어서 스마트워치에 대한 논문을 쓰기 시작했다. 이렇게 자료를 찾고, 직접 전자제품 매장가서 만져보고 하니까 너무 신기하고 갖고 싶었다. 살 돈은 없었지만, 이때까지 배운 AVR를 이용하여 비슷하게라도 웨어러블형 스마트워치를 만드는 것을 계획하게 되었다. 비록 스마트워치보다 성능은 훨씬 떨어지고, 부피도 클거라는 것을 예상했지만, 애초 목적은 우리 손으로도 구형 스마트 워치를 만들 수 있다는 목표를 가지는 거였다.

1-2. 제작 목적
실생활형 웨어러블 스마트 워치를 제작하여, 일생생활에서도 한번에 여러 가지 기능을 접목시켜 사용할 수 있도록 제작 목적이 있었다. 작품에 사용되었던 여러 가지 센서를 하나로 조합하여, 스마트워치에 접목 시켜 시계 외의 추가 기능을 사용할 수 있게끔 만들었다. 예를 들어, 걸을 때의 발에 걸리는 압력을 측정하여 내가 제대로 걷고 있는지, 오늘 온도는 몇 도 이고, 날씨는 어떤지, 현재 내가 얼마의 속도로 걷고 있고 칼로리 소모는 얼마나 되었는지 등을 추가하여 실생활에서도 사용자가 움직일 때 모든 것을 확인하는 쪽으로 개발 방향을 바꾸었다.

2. 작품 설명
2-1. 주요 동작 및 특징
1)전체 동작 시나리오
16×2 LCD를 사용하여 웨어러블 식으로 몸에 탈 부착하여 사용 할 수 있는 스마트 시계를 제작하였다. 각각의 기능은 팔목에 부착된 다섯 개의 인터럽트 스위치에 의해서 동작한다.
첫 번째 스위치의 기능은 GPS센서로부터 수신된 시간 및 날짜를 나타내준다. 수신된 시간은 영국 표준시로 나타나기 때문에 한국시간에 맞춰서 바꿔줘야 한다.
두 번째 스위치의 기능은 사용자의 걸음걸이 속도 및 분당 칼로리 소모량을 나타낸다. 걸음걸이 속도 또한 GPS센서로 값을 수신 받아 위도 경도에 의해 사용자의 이동거리에 따라 시간을 나누어서 속도를 측정한다. 칼로리 같은 경우는 정의된 수식에 의해 사용자의 몸무게를 프로그램에 입력한 상태에서 측정하여 나타난다.
세 번째 스위치는 현재 온도와 날씨 상태를 나타내준다. 기상청에서 제공하는 현재 온도에 따라 야외활동 수준의 상태를 LED로 적색(위험), 황색(경고), 녹색(안전)으로 사용자가 인식 하기 쉽게 구성도 해놓았다. 날씨 상태 같은 경우도 데이터 분석에 의해 온도에 따라 덥다, 따뜻하다 등의 날씨 상태를 나타낼 수 있게 하였다.
네 번째 스위치는 사용자가 걸을 때의 양발의 압력을 측정하여 사용자의 현재 걸음걸이를 표시한다. 여기에서는 오른발의 압력을 측정하기 위해 MCU를 하나 더 사용하였다. 메인 MCU부분에는 왼발의 압력을 측정하게 해놨고, 추가 MCU부분에서는 오른발의 압력을 측정하여, 블루투스 통신으로 메인 MCU에 값을 전송한다. 현재 두 가지의 경우로 구성해놨는데, 메인 부분의 MCU에 연결된 블루투스 스위치가 ON일 경우는, 양발의 걸음걸이 상태를 LCD창에서 확인할 수 있게 해 놨다. 예를 들어, 양발 앞쪽에 힘이 둘 다 많이 걸릴 경우, “Left : Front Waning!”, “Right : Front waning!” 식으로 0번 줄, 1번 줄에 각각 표시 될 수 있게 구성하였다. 만일, 메인 블루투스 전원 스위치가 OFF일 경우는 오른발의 추가 MCU가 스마트 폰과 연동될 수 있게 구성하였다. 스마트 폰의 앱을 실행했을 경우, 오른발의 위치에 따른 자세한 압력 값과 걸음걸이 상태여부를 파악 할 수 있다.
마지막 다섯 번째 스위치는 사용자가 전원을 킨 순간부터 현재까지의 걸음걸이 수, 즉 만보기 기능을 할 수 있게 제작을 하였다.

2-2. 전체 시스템 구성
1) 시스템 블록 다이어그램

[그림 2.1] 시스템 구성도

2) 시스템 세부 구성

(1) 시계 메인

메인에 표시된 숫자에 맞는 스위치는 누르면 해당 기능이 실행이 된다. 1번 부터 각각의 스위치의 명칭은 Clk(Clock), Cal(Speed & Calolie), Tp(Temperature), Force(Force Sensor), Pace(Pace Counters)를 나타낸다. 시계 메인은 전원on 일 때 한번만 나타나게 해놨으며, 스위치 위에 버튼에 해당되는 기능을 써놔서 사용자가 헷갈리지 않게 제작하였다.

(2) 첫 번째 스위치 – 날짜 및 시간
가. GPS 센서 및 회로 구성

위의 모듈을 사용하여 ATmega128의 RX0, TX0 포트를 이용하여, GPS 위성 값을 수신하였다. 수신한 값은 다음과 같다.

[그림2.2]에서 사용할 GPS 정보는 GPRMC이다. RMC는 Recommended Minimum Specific GNSS Data의 약자이다. 말 뜻 그대로 navigation에 일반적으로 필요한 데이터 항목을 다 가지고 있다. 여기서 우리가 사용할 것은 시간, 날짜 및 이동속도만 사용할 예정이다. 1번 값은 MCU에서 GPRMC를 받기 위해서 반드시 코딩에 문자열이 일치하는지 확인해야하는 함수를 써야한다. $GPRMC를 사용하지 않을 경우, [그림2.2]에서처럼 다른 값이 들어올 수 있으니 주의해야 한다. 2번의 UTC Time은 현재 날짜 및 시간을 나타낸다. 영국 표준시를 사용하여 +9를 해주어야 우리나라 시간에 맞는다. 4, 6번에 담겨진 위도와 경도는 현재 프로그램에서 사용하지 않았다. 그래도 테스트 결과 현재 위치가 정확하게 나오는 것을 확인했다. 만일 사용할 경우 도분초 계산법에 의해 수신 된 값 소수점에 x60을 하여 나타내야지 정확한 위치가 나타난다. 10번의 UTC Date 같은 경우 우리나라의 윤년 계산법에 의해 새로운 계산을 해주어야 한다.

나. 출력 화면

(3) 두 번째 스위치 – 속도 및 칼로리 소모량
가. 속도 및 칼로리 소모량 계산
8번의 Speed over ground를 이용하여, 사용자의 걷는 속도를 구할 수 있다. 하지만 GPS에 담긴 속도의 단위는 노트(Knots)이다. GPS에서 받은 데이터 값들을 토큰 함수로 나누어 GPS_DCUT배열에 저장해 준다. 이차원 배열로 저장된 값들 중에 속도에 관련된 GPS_DCUT[7][0]값을 받아와서 문자열을 정수형으로 바꿔주는 atoi()함수를 사용하여 speed에 Knots로 된 값을 저장 후, m/s로 환산하기 위해 아래의 함수를 사용하여 값을 처리해주었다.

나. 출력 화면

3분 동안 보통 걸음으로 걸은 후에 소모된 칼로리 계산이다. 현재 속도는 이동 중이 아니라 정지 중에 있어서 0.0m/s로 표시되었다.

(4) 세 번째 스위치 – 현재 온도 및 날씨 상태
가. 온도 센서(HT-01DV)

Atmega128의 ADC 변환을 이용하여 온도 값을 출력하였다. [그림2.11]를 보면 입력 전압에 따른 온도변환과 출력전압의 관계를 나타내주고 있다. 이 그래프를 분석하여 5V로 입력 전압을 준 후, 출력 전압에 해당되는 온도가 맞는지 테스트를 하면 된다. 오차의 범위는 ±0.5℃로 실제 온도기와 비슷하다고 해도 무방하다. 위의 방정식에 Vin에는 우리가 사용할 5V를 ADC 변환한 값 1023을 넣어주고, Vout에는 ADC 변환 값(0~1023)에 해당되는 값을 변수지정 하여 입력해 준다.

물론 여기에도 오차가 발생할 수도 있다. 예를 들어, 날씨가 더운데 구름이 많이 껴서 습한 날 경우 [그림2.13]에서는 hot에 해당되는 날씨 이지만 실제 날씨는 Humidness에 해당된다. 이런 경우의 오차는 제외하고, 데이터를 분석하여 적용하였다. 그리고 온도에 따른 LED의 색깔 변화를 손목에 부착하여 사용자가 보다 편리하게 확인할 수 있게 구성을 하였다.

나. 센서 구성

원래의 구성은 온습도 센서지만, 현재는 온도 센서만 사용하였다. 습도 센서도 연결해놓긴 하였지만, 프로그램에서 코딩을 하지 않았다. 온도 센서는 PF0(ADC0)에 연결하였고, VDD는 5V, VSS에는 gnd를 연결해 주었다. 전체 입력 전압은 9V이지만 7805 레귤레이터를 사용하여서 5V로 낮춰주어서 공급하였다.

다. 출력 화면

현재 온도 17℃에 해당되는 상태 및 LED를 출력해준다.

(5) 네 번째 스위치 – 걸음 걸이 상태 측정
가. 연동 필요성
자기의 걸음걸이를 인식하고 보행하는 사람은 없다. 무의식에서 굳어버린 자신의 걸음걸이로 인해 몸에 불편함을 느끼는 현대인들이 많다. 이러한 바르지 못한 자신의 걸음걸이를 병원에 가지 않더라도, 신발에 내재되어 있는 압력센서와 이에 따른 분석 데이터를 스마트폰 앱을 통해 보면서 자신의 걸음걸이가 어디가 잘못 되었는지 교정할 수 있는 기술이 필요하다고 생각하였다. 올바르지 않는 걸음걸이로 인해 척추가 휘거나 골반이 틀어지는 사례를 많이 접할 수 있었다. 즉, 자신의 걸음걸이 교정은 자신의 건강을 중요시하는 현대인들에게는 필수적인 요소 중 하나라고 생각된다.

나. 압력센서 및 동작 원리

기본적으로 압력센서의 원리는 압력에 따라 전기저항 값 변화와 압력이 없을 경우 높은 저항 값 출력, 압력이 가해지면 5KΩ 정도까지 저항이 내려가는 식으로 이루어져 있다. 현재 우리가 구성한 압력센서 부분은 압력이 가해지면 ADC 변환 값(0~1023)으로 출력되는 값을 (Vout/5)*1023을 계산하여 0~4.9V 단위로 출력하여 확인하게 편하게 구성하였다. 양발 측정을 위해 추가 MCU를 사용하였다. 왼발의 경우에는 메인 MCU에 연결되어 있지만, 오른발의 경우에는 추가 MCU를 사용하여 블루투스 통신으로 값을 메인 MCU에 전송하는 방식을 사용하였다. 메인 MCU 블루투스 전원 스위치의 ON, OFF를 제어함으로 출력 방법이 달라진다.

①메인 블루투스 스위치 ON

오른발에 부착된 추가 MCU에서 압력 센서에 걸리는 값을 입력받아 배열로 저장하여 블루투스 TX단으로 데이터를 전송한다. 메인 MCU에서는 블루투스 RX단으로 값을 수신하고 토큰함수로 배열 저장된 값을 분리 후 처리하여 LCD에 상태를 출력한다. 메인 MCU에 달려있는 압력센서 값들은 바로 처리해서 출력된다.

②메인 블루투스 스위치 OFF

스위치가 ON에서 OFF로 바뀐 후 몇 초 동안은 페어링 해지를 하고 추가 MCU의 블루투스(Slave mode)는 다른 기기를 찾기 시작한다. 해지되고 몇 초 지나면 메인 MCU 블루투스 부분(Master mode)과 연결되어 통신이 시작된다. 오른발의 부착된 추가 MCU에서 측정된 압력센서 값이 블루투스 TX단을 통해 스마트폰 블루투스 RX단으로 전송된다. 전송 된 값은 각각의 발 위치에 압력정도에 따라 색깔이 변하는 기능을 넣었다. 이에 대한 자세한 설명은 (7)에서 하도록 하겠다. 다음은 발에서 압력 값이 가장 많이 걸리는 부분에 표시를 한 사진이다.

왼쪽부터 1, 2, 3, 4, 5로 변수를 지정하고, 걸음걸이에 따라 걸리는 위치의 압력에 대해 분석한 것을 기준으로 프로그램을 작성하였다. 16×2 LCD에서 출력 시에는 왼발, 오른발의 걸을 때 상태를 간단하게 표시할 수 있도록 해놨다. 걸을 때 주요 압력이 걸리는 부위는 1, 2, 5번의 위치이다. 일반적인 걸음을 걸을 때는 1, 2, 3, 5번에는 3.8 ~ 4.2V정도의 압력이 걸리며, 이럴 경우에 LCD에 “Normality!” 라는 문구가 뜨게 된다. 신발 뒤꿈치 전체가 닳는 사람의 경우도 테스트를 해봤는데, 5번 위치에서 3.0~3.4V 수준의 값이 측정되었다. 기준이 3.5V에 비해 낮은 전압 값이 출력되어 왼발, 오른발에서 “Rear Dan!“ 값이 걸을 때마다 표시 되었다. 필자 같은 경우는 신발 뒤꿈치 끝 쪽 모서리가 자꾸 닳아서 테스트를 한 결과, 5번 센서에 힘이 다른 부분에 비해 많이 걸리는 것을 볼 수 있었다.

다. 회로 구성

사용할 압력센서의 기본적인 회로이다. 들어온 센서 값을 MCP6004 소자를 통과하여 이득을 얻는 형식으로 값을 입력받는다. 하지만, 현재 정해진 소자로 [그림 2.22]과 같은 회로로 구성을 하였더니 원하는 출력 값이 제대로 증폭되어 나오지 않았다. 그래서 [그림2.23]의 회로에서 CDS센서 부분에 압력센서를 대체하여 진행하였다.
33KΩ을 3개 직렬연결 해주어서 약 100KΩ을 만들었다. 그리고 출력 전압 계산은 다음과 같은 식에 의해 구해진다.

압력의 세기에 따라 Rf의 값이 달라지면서 출력 전압도 달라진다. 출력 전압을 ADC 변환을 이용하여 (Vout/5)*1023을 사용하여 0~4.9V의 전압을 출력할 수 있도록 해주었다.

라. 출력 화면

(6) 다섯 번째 스위치 – 만보기 기능
가. 만보기
양발의 다섯 번째 단의 압력센서를 이용하여 만보기 기능을 추가하였다. 구동 원리는 다섯 번째 단의 센서 값에 힘이 동시에 걸릴 경우는 카운터가 증가하지 않고, 딛지 않는 발의 압력은 4.9V를 유지하고, 딛는 발의 경우 4.9V 이하가 될 경우 카운팅 되게 소스를 구현 해놨다. 이 부분도 칼로리 때와 마찬가지로 양발의 딜레이를 주어 코딩을 하였다. 평균적으로 한발을 딛고, 한발이 떨어져 나갈 때 500ms 이내로 동작하게 된다.

나. 출력 화면

(7) 스마트폰 App

스마트폰 APP에서 처리하는 일은 추가 MCU에 연결된 압력 센서를 블루투스 통신을 통해서 실시간으로 압력 값을 전송받고 그 데이터 값을 스트림 모드로 띄워주는 과정을 거친다. 전체적인 과정을 설명하면 Bluetooth Socket으로 추가 MCU에 연결된 블루투스 디바이스에 Connect하고 InputStream으로 read후 획득한 결과를 Android View에 TextView와 ImageView를 통해 표시하는 기능을 가진 앱이다. [그림2.26]의 경우에는 어플을 처음 실행했을 때 인트로 엑티비티를 사용해서 처음 화면을 만들어 주었고 [그림2.27]의 경우에는 어플 실행 후 핸드폰이 블루투스 기능이 실행되어 있지 않을 때 블루투스 권한을 요청하는 기능을 보여주고 있다. [그림2.28]을 참고하면 블루투스 권한을 요청하는 BLUETOOTH와 BLUETOOTH_ADMIN 퍼미션을 알 수 있다. 그 후 [그림2.29]을 보면 블루투스를 활성화하는 액티비티를 호출하는 것을 볼 수 있다.

그리고 어플리케이션 소스 중에 있어서 가장 중요했던, 디바이스에서 핸드폰 블루투스로 데이터를 전송하고 어플리케이션이 데이터를 수신할 때 수신한 데이터를 스트림으로 변환시킨 부분이다.

2-3. 개발 환경
하드웨어 – Code vision 프로그램을 사용하여 구현하였다.
App – 이클립스를 사용하여 구현하였다.

3. 단계별 제작 과정
3-1. 메인 MCU 부분 제작과정
1) 기판 구성
(1) 손목부분

72X50mm의 기판을 사용하여 사용자가 움직일 때 불편하지 않는 크기로 구성하였다. 기능을 선택할 5개의 스위치와 온도에 연관된 기능의 3개의 LED를 배치해주고 납땝을 하였다. LCD는 [그림3.1]에서 표시된 부분에 사용자가 원하는 16X2 LCD를 꼽을 수 있게 탈부착 식으로 구성하였다.

(2) MCU 부분

MCU 부분은 팔뚝에 연결하여 긴 리드선을 이용하여 팔목부분의 LCD와 연결하여 동작하고 있다. 85X62mm의 기판과 건전지와 합계 시 무게가 많이 나가지 않아서 동작에 지장은 가지 않는다. 각종 센서 부분이 이 부분에 연결되어 있고, LCD처럼 탈부착식으로 구성하였다. 추가 MCU와 마찬가지로 왼발 압력측정을 할 수 있게 저항을 연결하여 0~49의 값을 읽어드릴 수 있도록 구성하였다.

2) 압력센서 연결부분

왼쪽 발은 오른쪽 발과 달리 직접 연결해주었다. 바깥쪽으로 선을 구성하여 움직이는데 제한을 없게 하였고, 길이를 충분히 길게 하여 사용자의 신장에 따라 길이를 조절할 수 있게 구성하였다.

3) 센서 연동

블루투스단에는 스위치를 달아 ON일 때에는 LED가 점멸하면서 페어링 대기를 하고, 오른발의 추가 MCU와 연동하게 되어있다. OFF시에는 LED의 불이 꺼지면서 블루투스에 전압이 인가되지 않는다. 이 때는 스마트폰과 오른발의 블루투스가 페어링을 하여 값을 주고 받는다.

4) 밴드 부분

팔목과 팔뚝에 고정시키기 위해 찍찍이를 사용하여 사용자의 두께에 따라 편하게 부착할 수 있게 구성하였다.

5) 전체 구성부분

6) 착용 부분

3-2. 추가 MCU 부분 제작과정

1) 틀 제작

MCU와 블루투스를 연결 하는 핀을 기판에 배치를 하여 전체적인 틀을 잡도록 구성하였다.

2) 저항 배치 및 압력센서 핀 연결

압력센서에 연결된 저항 연결과 블루투스에 공급될 3.3V를 연결해주였다. 현재 사진에서는 다이오드 3개로 3.2V 정도 만들어주었지만 공급이 불안정하여 1117s 3.3V 레귤레이터를 사용하여 3.3V를 연결해 주었다.

3) 전체 부품 배치 및 납땜

현재 9V 건전지로 전압을 인가하였다. 그림에서는 7805 LDO소자가 방열판에 연결하지 않았지만, 방열판을 달아 LDO에서 발생하는 열을 방출해 주게 구성하였다.

4) 완성 부분

전체적인 구성 부품을 조립하여 오른발에 부착을 하였다. 기본적인 값은 49로 구성하였고, 압력에 따라 0~49의 값이 메인 MCU로 블루투스를 통해 전송된다.

5) 수정 부분

[그림3.9]과 [그림3.10]부분에서의 1117s 3.3V LDO로 교체를 하고, 방열판을 달아줘야 부분에 대해 수정한 뒤에 최종 결과물을 완성시켰다.