제안하는 방범모드를 추가한 WiFi 기반 스마트 홈 IoT 시스템 구현

3-1 스마트 홈 IoT 시스템 전체 동작 알고리즘

그림 1은 제안하는 방범모드를 포함한 전체 동작 다이어그램을 나타내고 있다. 공통동작으로는 화재 발생 알림, 가스 누출알림을 가지고 있고, 수동 모드, 자동 모드, 방범 모드 이 세가지 모드를 포함하고 있다.

Fig. 1.

Overall operation diagram including proposed security mode

3-2 스마트 홈 IoT 시스템 초기 동작 알고리즘

그림 2는 제안하는 모드를 포함한 초기 동작 알고리즘을 나타내고 있다. 어플리케이션을 최초 실행하기 전에 먼저 스마트폰에서 Node MCU보드에서 설정한 ID(Identification), PW(password)로 WiFi 공유를 켜서 Node MCU보드와 연결시킨다. 그 뒤에 어플리케이션을 실행시킨 뒤 IP(Internet Protocol)정보를 입력하고 저장하여 IP정보가 맞으면 센서들의 값이 나오게 되고, 맞지 않다면 센서 값이 나오지 않게 된다. 기본적으로 센서 값들 중 불꽃 센서 값이 설정한 센서 값보다 낮거나 가스 센서 값이 설정한 값보다 높게 측정이 되면 부저를 울리고, 화재나 발생 했거나, 가스가 누출되었다고 알려준다. 해당 조건을 만족하지 않으면 부저는 울리지 않고 입력받는 값을 계속 대기하게 된다.

Fig. 2.

Initial operation algorithm including proposed mode

표 1은 제안하는 모드를 포함한 초기 동작의 특징을 보여주고 있다. 기본적으로 어플리케이션을 실행하면 그때 집안의 온습도와 조도, 가스, 불꽃 값을 측정하여 어플리케이션 화면에 보여준다. 그 중 불꽃 감지 센서와 가스 센서는 측정된 값이 일정값 보다 낮거나 높으면 부저를 통해 알림메시지가 나오고, 어플리케이션 화면에 측정값을 보여준다. 이와 같은 기능들은 수동,자동,방범 모드의 공통적인 기능과 특징에 해당된다.

Table 1.

Characteristic of initial operation including proposed mode

3-3 스마트 홈 IoT 시스템 수동모드 동작 알고리즘

그림 3은 자체적인 방법으로 구현한 수동모드의 동작 알고리즘을 나타내고 있다. 초기 실행 시 기본으로 수동모드에 진입되어 있고, 수동모드에 진입하게 되면 자동모드로 진입할 수 있는 기능을 선택할 수도 있다. 자동모드로 진입하게되면 수동모드에서 자동모드로 바뀌게 된다. 또한 자동모드로 진입하지 않고 수동모드에서 동작을 입력하게 되면, 아두이노는 해당기능을 동작하게 된다. 해당 동작으로는 현관문 열기, 닫기, 커튼 내리기, 올리기, LED(Light Emitting Diode)1, 2 켜기, 끄기가 있다.

Fig. 3.

Passive mode operation algorithm implemented by own method

표 2는 자체적인 방법으로 구현한 수동모드의 특징을 나타내고 있다. 수동모드에서 현관 열기/닫기 버튼을 클릭하여 서브모터를 통해 현관문의 동작 유무를 설정할 수 있고, 커튼 올리기/내리기 버튼을 클릭하여 스테핑 모터를 통해 커튼의 동작 유무를 설정할 수 있다. 마지막으로 LED ON/OFF 버튼을 클릭하여 LED A,B의 점등 유무를 설정할 수 있다.

Table. 2.

Features of manual mode implemented by own method

3-4 스마트 홈 IoT 시스템 자동모드 동작 알고리즘

그림 4는 자체적인 방법으로 구현한 자동모드의 동작 알고리즘을 나타내고 있다. 자동모드 또한 수동모드로 진입할 수 있는 기능을 선택할 수도 있다. 수동모드로 진입하는 기능을 선택하게 되면 자동모드에서 수동모드로 바뀌게 된다. 또한 수동모드로 진입하지 않고 자동모드에 있게 되면 조도센서의 값이 설정해 둔 일정 값에 도달할 때 밝다고 판단하여 자동으로 커튼을 내리고 LED를 소등하고 설정 값보다 낮다면 어둡다고 판단하여 커튼을 올리고 LED를 점등하게 된다.

Fig. 4.

Automatic mode operation algorithm implemented by own method

표 3은 자체적인 방법으로 구현한 자동모드의 특징을 나타내고 있다. 자동모드에서는 측정되는 조도센서 값에 따라 스테핑 모터를 통해 커튼과 LED 점/소등 동작 유무 가 자동으로 결정된다. 즉 측정된 조도 센서값이 일정값 보다 크면 커튼이 내려가고 LED가 소등되며 반대로 일정값 보다 작으면 커튼이 올라가고 LED가 점등된다.

Table. 3.

Features of automatic mode implemented by own method

3-5 스마트 홈 IoT 시스템 방범모드 동작 알고리즘

그림 5는 제안하는 방범모드의 동작 알고리즘을 나타내고 있다. 방범모드를 활성화 하게 되면 현관문 앞에 달린 근적외선 인체감지 모션센서의 센서 값이 설정한 일정 값 이상으로 높아지게 되면 침입자가 발생했다고 알리게 된다. 일반모드버튼을 클릭하게 되면 방범모드를 비활성화 하게 된다.

Fig. 5.

Proposed algorithm for security mode

표 4는 제안하는 방범모드의 특징을 보여주고 있다. 방범모드는 어플리케이션에서 방범모드 버튼을 클릭하면 실행되는데, ‘침입’ 여부를 나타내주는 문구가 ‘안전’으로 설정되어 있는 상태에서 집안에 설치된 근적외선 인체감지 모션 센서를 통해 움직이는 물체 등을 확인하면 부저를 통해 침입자가 발생했다고 알리고 어플리케이션 화면의 ‘침입 : 안전’이 ‘침입 : 발생’ 으로 변경된다.

Table 4.

Features of proposed security mode

우리가 제작하는 방범모드는 실 생활에서도 여러 기능으로 쓰이고 있는데 대표적으로 ‘코오롱베니트의 홈 IoT, Iok 브로슈어’을 통해 알아볼 수 있다[8]. 여기서 소개하는 방범모드는 생체인식 출입관리, 침입 감지, 화재 및 가스 감지, 층간 소음 저감, 창문 및 출입문 열림 감지, 실버케어의 기능을 제공한다. 우리가 연구에서 제시하는 방범모드도 이와 비슷하다. 모형집안에 근적외선 감지센서를 이용하여 스마트폰으로 방범모드를 실행시킨 후 집안에 누군가가 침입하면 스마트폰에서 “침입자가 발생했습니다.”라는 문구와 함께 ‘침입 : 안전’이 ‘침입 : 발생’ 으로 바뀌게 되고 모형집 안의 부저에서 소리를 통해 알려준다.

4-1 스마트 홈 IoT 시스템 구성 및 실행도

그림 6은 홈 IoT 시스템 기능 구현을 위한 제어기 구성도를 나타낸다. 아두이노 메가 2560을 이용하여 여러 센서들이 기능을 수행한다. 온습도 센서를 이용하여 방안의 온도와 습도 값을 측정하고, 조도 센서 CdS cell을 이용하여 방안의 조도 값을 측정하며 측정된 조도값을 통해 5V 스텝 모터와 드라이버 모듈 ULN2003을 이용하여 커튼의 동작을 실행시킨다[9]. 근적외선 인체 감지 모듈센서로 모형집 앞에 사람유무를 확인하여 미니서보모터로 현관문의 열고 닫힘을 관리 할 수 있다. 아두이노 불꽃 센서 모듈과 MQ-6가스 센서로 화재, 가스 감지 여부를 확인 할 수 있다.

Fig. 6.

Home IoT System Function Implementation Controller Diagram

그림 7은 아두이노 메가에 연결되어 있는 센서값들을 WiFi통신을 통해 모바일 App에 전송하여 그 값들을 받아 스마트폰 안드로이드 App을 이용하여 기능들을 구현하고 제어하는 과정을 보여주고 있다.

Fig. 7.

Home IoT System Function Implementation Action Execution Diagram

4-2 스마트 홈 IoT 시스템의 하드웨어 및 App 구성도

연구를 통해 홈 IoT 시스템을 구현하기 위해 모형집을 설계하였다. 스마트 홈 IoT 시스템 기능들을 구현하는 것이기 때문에 실제 가정집에서 사용하는 기능처럼 구현하여 보는 것이 연구 목적 이였기 때문에 모형집을 설계 해야 했고 구글과 여러 블로그 등등 비슷한 분야의 설계를 보면서 참조했다[10]. 설계도를 통해 그림 8와 같이 모형집을 제작하였고 모형집은 방, 거실, 현관, 주방으로 구성되어있으며 3D프린터를 통해 외형 틀을 제작했다. 틀을 제작한 후 각각의 서비스 기능들을 구현하기 위한 센서들을 방, 거실, 현관, 주방에 설치했고 가운데에 아두이노 메가와 WiFi 통신을 위한 Node MCU를 설치하였다.

Fig. 8.

Model Body to Implement Home IoT System Function

그림 9는 홈 IoT 시스템 기능을 구현 시킬 모바일 어플리케이션 구성도이다. 어플리케이션에는 집의 온습도, 불꽃, 가스, 조도의 측정된 값을 나타내고 침입 상태를 나타내며, 방범모드와, 일반모드, 자동모드, 수동모드, 커튼 동작 버튼, 현관 동작 버튼, LED 동작 버튼과 현재 시간 그리고 현재 사용하는 IP 주소를 저장할 수 있는 버튼으로 구성되어 있다. 이러한 어플리케이션을 구성하기 위해 MIT App Inventor를 이용하였다[11].

Fig. 9.

Home IoT System Function Implementation Mobile App Diagram

5-1 거리에 따른 센서 값 측정 실험 결과

근적외선 인체감지 모션센서를 현관문에서 가장 적당한 위치에 설치하기 위해 거리에 따른 모션센서의 센서 값을 측정하는 실험을 진행하였다. 표 5는 근적외선 인체감지 모션센서의 거리에 따른 측정값을 나타낸다. 근적외선 인체감지 모션센서의 센서 값은 10cm부터 14cm 까지는 700 근처의 값, 그 이후로는 0을 가지고 있다. 근적외선 인체감지 모션센서는 말 그대로 적외선을 통해 사람의 움직임을 감지하는 센서이다. 감지 각도 범위안에 적외선의 변화가 있을시 High(1) 신호를, 없을시 Low(0) 값을 출력하는 센서이다. 실험 결과를 보면 14cm까지는 사람의 움직임을 감지하여 High 신호를 보내고 있고, 그 이상 멀어지면 움직임을 감지하지 못해 Low 신호를 보내고 있다. 따라서 근적외선 인체감지 모션센서를 현관문에서 15cm정도에 이격시켜 설치하였다.

Table. 5.

Sensor Value Measurement of NIR Motion Sensor

불꽃 센서 또한 부엌에서 가장 적당한 위치에 설치하기 위해 거리에 따른 센서 값을 측정하는 실험을 진행하였다. 표 6은 불꽃 센서의 거리에 따른 센서값을 나타낸다. 불꽃의 거리가 10cm일 때는 121, 20cm일 때는 723, 30cm 일 때는 1028로 나타났다. 그 이상 멀어져도 센서의 값은 거의 변화가 없이 1110~1200 사이를 왔다갔다 하였다.

Table. 6.

Sensor Value Measurement of NIR Motion Sensor

근적외선 인체감지 모션센서와 불꽃 센서 또한 두 자리로 전달하기 위해 해당 값을 900이상인 값은 900으로 바꾸고 10으로 나눈 뒤에 전송하게 된다. 따라서 불꽃 센서값을 스마트폰에서 전달받은 값은 10cm, 20cm, 30cm, 40cm, 50cm 각각 12, 72, 90, 90, 90이 된다. 실험 결과 데이터를 바탕으로 불꽃 센서를 부엌에서 가장 적당한 위치인 15 ~ 20cm정도 이격시켜 설치하였다.

5-2 스마트 홈 IoT 시스템의 어플리케이션과 Node MCU에서 주고받는 신호

표 7은 Node MCU가 어플에 보내는 html코드를 나타내고 있다. 스마트 홈 IoT 시스템에서 어플리케이션으로 센서 데이터를 정상적으로 전송하고 있는지 확인하기 위해 Node MCU에서 클라이언트로 전송하는 html 코드를 확인하는 실험을 진행하였다. 스마트 홈 IoT 시스템은 계속해서 습도, 온도, 불꽃, 가스, 조도의 센서값을 화면에 보여주어야 한다. 그렇기 때문에 매 초마다 해당 센서값들을 아두이노 메가에서 받아 Node MCU로 전송해주고, 전송받은 센서값들을 Node MCU가 WiFi로 연결된 클라이언트로 전송하게 된다. 전송할 때에는 표 7과 같이 html코드로 전송하게 된다. 어플리케이션에서는 전송받은 html코드에서 문자열 길이를 통하여 해당 센서값들의 수치를 가져오게된다. 154에서 두자리, 158에서 두자리 , 162에서 한자리, 165에서 두자리, 169에서 두자리, 173에서 두자리는 각각 습도, 온도, 방범모드의 활성화 유무, 불꽃, 가스, 조도값을 나타내고 있다.

Table. 7.

Html code that Node MCU sends to application in auto mode

그림 10은 센서 데이터들을 자리수에 맞게 데이터를 읽은 웹화면를 나타내고 있다. Node MCU는 아두이노 메가에서 센서들의 측정값을 전달받아 서버에 전달하게 된다. 위에서 설명한 바와 같이 문자열의 자리수를 판별하여 해당 센서의 센서값을 읽기 때문에 서버에 전달할 때 센서의 측정값이 10보다 아래 즉, 두자리수가 아니라면 두자리로 맞춰주기 위해 해당 숫자 앞에 0을 붙여 전송하게 된다. 같은 이유로 아두이노 메가에서 Node MCU로 데이터를 보낼 때에도 센서의 측정값이 900보다 큰 값이면 900으로 바꿔주고 그 데이터를 10으로 나누어 최대 두자리 숫자가 나오게 해준다. 이는 어플리케이션에서 서버의 데이터를 읽을 때 자릿수로 어느 부분이 온도, 습도, 불꽃, 가스, 조도인지 알기 위해서 최대 두자리 숫자로 만들어 준다. 그림 10의 데이터는 표 7의 설명과 같이 데이터를 처리한 결과 첫 번째 두자리는 습도, 두 번째 두자리는 온도, 세 번째 한자리는 0과 1로 방범모드일 때 사람이 식별되었는지 판별, 네 번째 두자리는 불꽃센서, 다섯 번째 두자리는 가스, 마지막 두자리는 조도를 나타낸다. 실험결과 정상적으로 아두이노 메가에서 측정한 센서 값들을 Node MCU를 통해 어플리케이션까지 전달되고 있는 것을 확인하였다.

Fig. 10.

Web screen that reads data according to digits of sensor data

표 8은 어플에서 동작에 따른 호출하는 웹서버 URL을 나타내고 있다. 어플리케이션에서 동작 버튼을 클릭했을 때 제대로 URL을 붙여서 호출하고 있는지 확인하기 위하여 버튼을 클릭했을 때 호출하는 URL을 확인하는 실험을 진행하였다. APP INVENTOR의 소스코딩을 통하여 어플에 있는 버튼을 클릭할 시 각 버튼마다 그 버튼에 해당하는 문자열을 IP주소 뒤에 붙여서 해당 URL을 호출한다. 이 URL을 호출하게 되면 Node MCU에서는 호출된 URL에서 문자열 검색을 통해 어떤 버튼이 눌려졌는지 판별하고, 아두이노 메가에 해당하는 문자를 전송하여 결과적으로 아두이노 메가에서는 어플에서 어떤 버튼이 눌려졌는지 판단하여 해당 동작을 실행하게 된다.

Table. 8.

URL of web server that calls according to operation in application

예를들어, A ON버튼을 클릭하게 되면 표 8의 case 7에 해당하는 http://192.168.43.113:48/ledA=on 를 호출하게 되고, Node MCU에서는 이 URL에서 /ledA=on이라는 문자를 찾아 이 조건에 해당하는 시리얼을 아두이노 메가에 전송하게 된다. 그러면 아두이노 메가에서 ‘led A를 켠다’라는 명령을 받고, 이 동작을 수행하게 된다. 실험결과 정상적으로 URL을 호출하고 있는것을 확인하였다.

5-3 스마트 홈 IoT 시스템의 어플리케이션의 동작에 따른 결과

그림 11은 현관문 열기 버튼을 클릭했을 때의 시스템 결과를 나타내고 있다. 그림에서 보이는 거와 같이 해당 버튼을 클릭하면 현관문이 열려진 상태인 것을 알 수 있다. 반대로 현관문 닫기 버튼을 클릭하면 열린 현관문은 닫히게 된다. 그림 12는 커튼 내리기 버튼을 클릭했을 때의 시스템 결과를 나타내고 있다. 그림에서 보이는 바와 같이 해당 버튼을 클릭하면 커튼이 내려가게 되는 것을 알 수 있다. 반대로 커튼 올리기 버튼을 클릭하면 커튼이 다시 올라가게 된다. 그림 13과 그림 14는 각각 A ON 버튼, B ON 버튼을 눌렀을 때의 시스템 결과를 나타내고 있다. 그림에서 보이는 바와 같이 해당 버튼을 클릭하면 A LED, B LED에 불빛이 들어오게 된다. A OFF 버튼, B OFF 버튼을 클릭하면 A LED, B LED는 불빛이 꺼지게 된다. 그림 15는 자동모드일 때 조도 값을 낮게 했을 때의 시스템 결과를 나타내고 있다. 조도 센서에 들어가는 빛을 손으로 막아 조도 값을 낮게 해주면 커튼이 내려가고 A, B LED의 불빛이 켜지게 된 것을 알 수 있다. 반대로 손으로 막지 않는다면 커튼은 올라가고 A, B LED의 불빛은 꺼지게 된다.

Fig. 11.

System results when the Open door button is pressed

Fig. 12.

System result when the curtain down button is pressed

Fig. 13.

System result when A ON button is pressed

Fig. 14.

System result when B ON button is pressed

Fig. 14.

System result when the illuminance value is low in the automatic mode