KR20180003225A - 레고형 센서모듈을 활용한 스마트 it 융합 프레임워크 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서버, 아두이노 센서, 모바일 기기 간의 통신을 구현하여 프레임워크의 프로토타입을 설정함으로써, 레고형 센서모듈을 활용하여 IoT 환경에서의 다양한 콘텐츠 제작에 적용할 수 있도록 하는 레고형 센서모듈을 활용한 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 레고형 센서모듈을 활용한 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템은 IoT 환경에서 기기 간의 실시간 통신을 구현하는 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템으로서, 무선 통신 기능이 구비되며, 안드로이드 기반의 앱이 설치되어 구동되는 모바일 기기(100)와; 무선 통신 기능이 구비되며, 센서 인터페이스를 통하여 센서 모듈(320)과 연결되어 센서 모듈(320)의 동작을 제어하는 마이크로 컨트롤러가 구비된 아두이노 보드(310)와; 상기 모바일 기기(100) 및 아두이노 보드(310)와 무선 통신을 설정하여 데이터를 송수신하며, 상기 모바일 기기(100)에 설치되어 구동되는 앱의 제어 신호에 따라 아두이노 보드(310)에 연결된 센서 모듈(320)의 동작을 제어하는 로컬 서버(200);를 포함하여 이루어져, IoT 환경에서의 다양한 콘텐츠 제작에 효율적으로 적용할 수 있는 제공된다.

Description

레고형 센서모듈을 활용한 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템 {Smart IT Convergence Framework System Applying a Lego-typed Sensor Module}

본 발명은 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서버, 아두이노 센서, 모바일 기기 간의 통신을 구현하여 프레임워크의 프로토타입을 설정함으로써, 레고형 센서모듈을 활용하여 IoT 환경에서의 다양한 콘텐츠 제작에 적용할 수 있도록 하는 레고형 센서모듈을 활용한 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템에 관한 것이다.

인터넷의 사용이 증가하면서 촉발된 기기들 간의 상호작용이 활발히 일어나는 IoT가 산업 전반에 확산되고 있다. 이러한 IoT(Internet of Things)는 1999년 MIT Auto-ID Sensor의 Kevin Ashton에 의해서 탄생 되었는데, RFID 기술을 통하여 사물이 인터넷으로 연결되는 것이 비전으로 제시되었다. IoT 기술은 기술을 다루는 조직과 그에 따른 목적에 따라 유사하지만 다르게 정의되기도 하는데, 공통점은 모든 사물이 글로벌 스케일의 연결성을 갖게 되어, 이를 기반으로 지능적 서비스를 제공하는 점이다.

이러한 국내외 IoT 산업은 다양한 분류가 존재하지만, 일부에서는 유비쿼터스 혹은 M2M(Machine to Machine)의 연장선으로 받아들여지기도 한다. 국내의 주요 산업 사례로는 SKT의 스마트 팜 서비스, KT의 스마트 홈 서비스, LG U+의 IoT@Home을 들 수 있다. SKT의 스마트 팜은 농가의 비닐하우스에 다양한 센서 및 W-CDMA 기반의 단말을 설치하여 스마트폰을 통해 농사일을 관리하는 서비스이다. 또한, KT와 LG U+의 사업 모델 같은 경우는 집안에 콘센트, 전등, 가스밸브 등 집안에 있는 단말들을 스마트폰으로 외부에서 제어하여 좀 더 편안한 생활을 영위할 수 있도록 하는 서비스이다. 하지만, 이렇게 국내에서 서비스되고 있는 IoT 산업의 경우 이전에 있던 USN이나 M2M의 연장선인 느낌이 강하고 글로벌 서비스를 위한 IoT와는 거리가 멀다고 할 수 있다.

한편, 국외의 주요 산업 사례로는 EVRYTHING의 WoT, Paraimpu, IBM의 Smarter Planet 등을 들 수 있다. EVRYTHING은 WoT(Web of Things) 기술의 선두 주자로서, ADI(Active Digital IdentitiesTM)를 기반으로 RFID, NFC, 기존의 웹 자원들을 포함하는 다양한 사물에 대한 식별 및 접근을 가능하게 함으로 생활 밀착형의 다양한 서비스를 개발하고 있다. 또한, Paraimpu는 SNS와 IoT 를 연결하여 공유하고 활용할 수 있게 하는 Social Web of Things라는 새로운 패러다임을 만들었다. 상기 IBM의 Smarter Planet은 글로벌 IoT의 전형적인 모습이라고 볼 수 있는데, 도시계획부터, 교통 관리, 철도 시스템 등 사회 기반 시설에 대한 IoT 기술의 적용을 목표로 개발중에 있다. 이와 같이 국내와는 다르게 해외에서는 사회 기반 시설을 좀더 자유롭고 통제 가능한 시스템화를 위한 연구가 할발하게 진행되고 있다.

이와 같이, IoT(Internet Of Things)가 산업 전반에 확산되면서, 사용자와 IoT 기기들간의 상호작용을 네트워크를 통하여 실시간으로 웹 서버 및 어플리케이션으로 데이터를 전송하는 기술은 필요함을 넘어서 이제 하나의 IT 융합 프레임워크로서의 제공을 요구하고 있는 실정이다.

대한민국 등록특허공보 제10-1613372호 (2016.04.11 등록)

본 발명은 이러한 IoT 산업 확산에 따른 IT 융합 프레임워크를 제공하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 IoT 환경을 기반으로 사용자의 모바일 기기와 각종 아두이노 센서들을 이용한 콘텐츠 제작에 활용할 수 있는 프로토타입의 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템은 IoT 환경에서 기기 간의 실시간 통신을 구현하는 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템으로서, 무선 통신 기능이 구비되며, 안드로이드 기반의 앱이 설치되어 구동되는 모바일 기기와; 무선 통신 기능이 구비되며, 센서 인터페이스를 통하여 센서 모듈과 연결되어 센서 모듈의 동작을 제어하는 마이크로 컨트롤러가 구비된 아두이노 보드와; 상기 모바일 기기 및 아두이노 보드와 무선 통신을 설정하여 데이터를 송수신하며, 상기 모바일 기기에 설치되어 구동되는 앱의 제어 신호에 따라 아두이노 보드에 연결된 센서 모듈의 동작을 제어하는 로컬 서버;를 포함하여 이루어진다.

상기 모바일 기기와 아두이노 보드에는 WiFi 통신을 수행하는 WiFi 모듈이 구비되고, 상기 로컬 서버에는 공유기가 구비되어, 하나의 로컬 서버에 복수의 모바일 기기 및 아두이노 보드가 연결되어 통신을 수행하게 된다.

또한, 상기 로컬 서버는 모바일 기기와 아두이노 보드에 연결된 센서 모듈로부터 초기화 코드를 각각 전송받아, 모바일 기기 및 아두이노 보드에 연결된 센서 모듈에게 일괄적으로 초기화 완료코드를 패킷으로 전송한 후, 상기 모바일 기기와 아두이노 보드에 연결된 센서 모듈로부터 데이터를 입력받아 처리하고, 모바일 기기와 아두이노 보드의 통신을 중계하게 된다.

한편, 상기 로컬 서버는 아두이노 보드에 연결된 센서 모듈과의 데이터 송수신시, 설정된 타임 임계값 이상의 시간이 지연이 발생하는 경우 해당 아두이노 센서 모듈에 문제가 발생한 것으로 판단하여 경고하게 된다.

또한, 상기 로컬 서버는 아두이노 보드(310)에 연결된 센서 모듈의 종류에 따라 각각 센서 번호를 부여하여 식별하고, 아두이노 보드에 새로운 센서 모듈이 추가되는 경우 추가되는 센서 모듈의 종류에 따라 새로운 센서 번호를 부여하여 센서 번호를 확장하게 된다.

상기 로컬 서버는 아두이노 보드에 연결된 센서 모듈 중, LED, 압력 센서, 자물쇠 센서를 조합하여 하나의 센서 번호를 부여하고, 자물쇠 센서에 대해 다른 센서 번호를 부여하며, 복수의 RFID 센서를 조합하여 또 다른 센서 번호를 부여하고, 압력 센서, RFID 센서를 조합하여 다른 센서 번호를 부여하게 된다.

상기 로컬 서버는 아두이노 보드에 연결된 센서 모듈의 동작을 제어하기 위하여, 제어 대상이 되는 기기명, 명령어, 매개 변수 값이 포함된 제어 명령어를 아두이노 보드에 전송하게 된다.

한편, 상기 로컬 서버는 통신망을 통하여 웹 서버와 연결되어, 상기 모바일 기기 및 아두이노 보드와의 통신에 따라 발생하는 데이터를 전송하며, 상기 웹 서버는 로컬 서버로부터 전송되는 데이터를 저장하고, 웹 페이지를 통하여 디스플레이하여 사용자에게 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, IoT 환경에서의 서버, 아두이노 센서, 모바일 기기 간의 통신을 수행할 수 있는 프레임워크의 프로토타입을 구현함으로써, 이를 통하여 IoT 환경에서의 다양한 콘텐츠 제작에 효율적으로 적용할 수 있는 효과가 있다. 특히, 구현된 프레임워크의 프로토타입을 활용하여, 레고형 센서 모듈의 조합을 통해 스마트토이 게임을 구현하는 등, 스마트 IT 융합 프레임워크의 가능성을 확인할 수 있으며, 이를 통하여 IOT 환경에서 다양한 센서 모듈을 활용한 콘텐츠 제작에 효율적으로 적용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템의 전체적인 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템의 데이터 흐름도,
도 3은 본 발명에 따른 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템의 네트워크 연결도,
도 4는 본 발명에 따른 로컬 서버와 모바일 기기 및 아두이노의 통신 설정 과정을 나타낸 흐름도,
도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 아두이노 센서 모듈의 설계 일례,
도 9는 본 발명에 따른 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템을 통하여 구현된 스마트 토이의 일례,
도 10은 본 발명에 따라 구현된 스마트 토이의 회로 구성도,
도 11은 본 발명에 따른 모바일 기기에서 구동되는 스마트 토이의 컨트롤 앱 화면을 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템의 전체적인 개념도를 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템은 모바일 기기(100) 및 아두이노(300)와, 로컬 서버(200) 및 웹 서버(400)를 포함하여 이루어진다.

상기 모바일 기기(100)는 안드로이드 운영체제가 탑재된 스마트 폰 등의 스마트 기기로서, WiFi 통신을 통하여 로컬 서버(200)와 통신을 수행하여 로컬 서버(200)에 연결된 아두이노(300)의 동작을 제어하고 아두이노(300)의 동작 상태를 모니터링 하게 된다.

상기 아두이노(300)는 안드로이드 운영체제 기반의 모바일 기기(100)와 호환되는 오픈소스 H/W 플랫폼으로서, 오픈 소스를 지향하는 마이크로 컨트롤러(micro controller)를 내장한 기기 제어용 보드이다. 아두이노(300)는 아두이노 보드에 다양한 센서나 부품 등의 센서 모듈을 연결할 수 있는데, 이 아두이노(300)는 컴퓨터와 연결해 소프트웨어를 로드하여 동작을 하게 되므로, 이들을 이용하여 제어용 전자 장치부터 로봇과 같은 체험형 컨텐츠를 구현할 수 있게 된다.

상기 로컬 서버(200)는 윈도우 운영체제 기반의 개인용 컴퓨터(PC)로서, 이 로컬 서버(200)는 모바일 기기(100) 및 아두이노(300)와 통신을 수행하여, 모바일 기기(100)로부터 아두이노 제어 신호를 전송받아 이를 처리함으로써 아두이노(300)의 동작을 제어하게 된다. 또한, 로컬 서버(200)는 아두이노 제어 결과를 웹 서버(400)에 전송하게 되는데, 웹 서버(400)는 로컬 서버(200)로부터 전송되는 아두이노 제어 과정 및 결과를 저장하고, 웹 페이지를 통하여 디스플레이 함으로써 사용자가 이를 확인할 수 있도록 제공하게 된다. 본 발명의 실시예에서 상기 로컬 서버(200)는 C++ 언어 기반으로 Mysql를 통해 웹 서버(400)와 연동되는데, 이는 사용자에게 웹 페이지를 통한 디스플레이 제공을 목적으로 한다. 또한, 모바일 기기(100) 및 아두이노(300)의 모든 센서는 로컬 서버(200)를 통해 서로 통신을 수행하게 되는데, 로컬 서버(200)는 모바일 기기(100) 및 아두이노(300)의 설정 완료 확인, 데이터 교환, 데이터 처리, 데이터 및 처리 결과 백업 등의 기능을 수행하게 된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템의 데이터 흐름도를 나타낸 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 모바일 기기(Andrioid Mobile)(100)와 아두이노(Arduino Sensor)(300) 및 로컬 서버(Local Server)(200)는 다음과 같이 초기화 단계와 데이터 교환 단계 및 오류 처리 단계를 진행하게 된다.

- 초기화 단계 : 가장 처음 초기화 단계에서 모바일 기기(100) 및 아두이노(300)는 작동을 시작할 때 해당 기기(모바일 기기 및 아두이노 센서)의 IP 주소를 담아 Accept를 수행하게 되는데, 기기가 정상 작동됨이 확인되면 로컬 서버(200)로 초기화 코드(Set-Up Message)를 전송하게 되고, 로컬 서버(200)는 해당 코드를 입력받아 각 기기의 상태를 초기화 단계로 설정하게 된다. 모든 기기가 초기화 단계로 설정되었다고 판단되면, 로컬 서버(200)는 연결된 모든 기기들에게 일괄적으로 초기화 완료 코드를 패킷으로 전송하게 된다.

- 데이터 교환 단계 : 초기화 완료 코드를 수신한 기기(모바일 기기 및 아두이노 센서)는 데이터가 교환할 준비가 완료되었음을 가정하고, 입력 값을 로컬 서버(200)로 전송한다. 이는 On/Off 값을 비롯한 다양한 파라미터 값을 포함한다. 로컬 서버(200)는 웹 서버(400)에 수신된 데이터 값을 저장한다. 또한, 수신된 데이터를 분석하여 모바일 기기(100)나 아두이노(300)에게 적절한 데이터 처리를 할 수 있다. 이를 통하여 아두이노(300)는 로컬 서버(200)를 경유하여 모바일 기기(100)와 상호통신 할 수 있으며 그 사이에 일어나는 모든 데이터는 웹 서버(400)에 자동으로 저장되므로, 사용자는 웹 서버(400)를 통해 보다 쉽게 데이터의 흐름을 파악하여 관리할 수 있게 된다.

- 오류 처리 단계 : 아두이노(300)의 각 센서는 외부의 환경의 변화에 매우 취약하기 때문에, 인터럽트가 발생할 상황에 따른 오류 처리가 필요하다. 본 발명에서 로컬 서버(200)는 아두이노(300)와의 데이터 교환이 일어날 때 해당 Socket 객체의 임계값(Limitied Time)을 임의의 초기값으로 갱신한다. 해당 값은 다음의 데이터 교환이 일어날 때까지 시간의 흐름에 따라 감소하게 된다. 따라서 본 발명에서 임계값을 설정하고, 설정된 임계값 이상의 시간 지연이 발생할 경우 로컬 서버(200)는 해당 아두이노(300)에 문제가 생겼다고 판단하여, 해당 아두이노(300)의 정보를 사용자에게 알려 재부팅을 권고하게 된다. 사용자는 해당 기기와 연계되어 작동하는 모든 센서에 대한 데이터 처리 여부를 설정할 수 있다. 인터럽트가 발생한 아두이노(300)가 재부팅되어 재접속을 하게 되면, 로컬 서버(200)는 해당 아두이노(300)에게 초기화 완료 코드를 보내주고 모든 기기는 정상적으로 작동하게 된다.

상기 과정을 통하여 로컬 서버(200)와 모바일 기기(100) 및 아두이노(300)는 상호 데이터를 교환하게 되는데, 본 발명의 실시예에서 상기 모바일 기기(100) 및 아두이노(300)의 데이터 연동을 위해 로컬 서버(200)의 데이터 구조는 다음의 표 1과 같이 설계된다.

상기 표 1에서와 같이, 데이터 패킷은 길이가 기본적으로 9Bytes로 설계되었으며, 이는 각 3Bytes로 구분하여 명령어 타입, 명령어 타입에 대한 값 1, 명령어 타입에 대한 값 2로 이루어져 있다.

또한, 본 발명에 적용된 레고형 센서 모듈은 다음의 표 2와 같이 네 가지 타입으로 센서 번호를 부여되어 식별되게 된다.

즉, 본 발명에서 모바일 기기(100)의 식별자는 Accept시 생성된 소켓을 기준으로 하는 한편, 아두이노(300)로 구성된 센서 모듈은 관리가 쉽고 확장성이 있도록 상기 표 2와 같은 규칙으로 번호를 설정하여 구성하였다. 상기 방법으로 센서별 번호를 부여한 뒤에 다음의 표 3과 같은 패킷설계 방법으로 로컬 서버(200)와의 통신에 사용하게 된다.

상기 아두이노(300)의 각 센서들은 상기 로컬 서버(200)와 데이터를 교환하게 되는데, 본 발명에서는 플랫폼에 적용할 센서 모듈 제작 시에 다음과 같은 기준을 가지고 설계하였다.

첫째, 각 센서 모듈은 Arduino Due 칩셋(보드)을 기본으로 지역적으로 모여 있는 각 센서들을 통합하게 되는데, 이는 각 센서의 통신 단위가 Wifi 무선 통신을 기반으로 설계되며 이를 아두이노 칩셋이 관리하기 때문이다. 둘째, 각 센서 모듈에 대한 제어 사항은 명령어 형태로 관리하며, 모든 센서 모듈이 완료 메시지를 보내기 전에는 각 센서를 임의로 통제할 수 없도록 한다. 이는 모든 모듈이 중앙 서버에 의해 통제되어야 하고, 서로 동기화된 상태로 실행되어야 하기 때문이다.

이러한 기준에 따라 본 플랫폼에 설정된 모든 아두이노 센서 모듈은 로컬 서버(200)에 의해 제어된다. 따라서 각 센서 모듈을 효율적으로 통제하기 위해 모든 제어 명령어는 기기 명, 명령어, 매개변수 값의 세 가지 부분을 합친 형태로 작성된다. 또한, 특정 규격을 정의함으로써 이후에 다른 기기를 추가하더라도 편리하고 쉽게 추가할 수 있도록 한다.

이하에서는 상기의 구조로 이루어진 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템의 구체적인 실시예를 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템의 네트워크 연결도를 나타낸 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 로컬 서버(200)는 모바일 기기(100)와 아두이노(300) 및 웹 서버(400)와 통신을 수행하게 되는데, 하나의 로컬 서버(200)에는 공유기(210)가 구비되어 복수(N)의 모바일 기기(100) 및 아두이노(300)가 연결되고, 하나의 웹 서버(400)에는 복수(N)의 로컬 서버(200)가 연결될 수 있다.

상기 모바일 기기(100)는 안드로이드 기반의 스마트 기기로서 통상의 카메라(110)와 WiFi 모듈(120)이 구비되는데, 이 모바일 기기(100)는 WiFi 통신을 통해 로컬 서버(200)와 연동하면서 약속된 패킷을 통해 데이터를 송수신하게 된다.

상기 로컬 서버(200)는 모바일 기기(100)와 아두이노(300)의 데이터 흐름을 관리하며, 모바일 기기(100)와 아두이노(300)의 데이터를 분석 및 처리하여 다시 피드백을 주는 역할을 수행하게 된다.

상기 아두이노(300)는 마이크로 컨트롤러 및 WiFi 모듈(311)이 탑재된 아두이노 보드(310)에 센서 인터페이스를 통하여 복수의 센서 모듈(320)이 연결되어 이루어진다. 상기 아두이노 보드(310)는 연결되는 각종 디지털 또는 아날로그 센서 모듈(320)의 데이터를 읽어들여, WiFi 모듈(311)을 통해 로컬 서버(200)로 전송하고, 로컬 서버(200)로부터 온 피드백에 따라 센서 모듈(320)을 제어하는 역할을 수행하게 된다. 상기 아두이노 보드(310)에 연결되는 센서 모듈(320)에는 압력 센서(321), 자물쇠 센서(322), RFID 센서(323), LED(324), 릴레이(325), Solenoid(326) 등 다양한 센서가 포함될 수 있다.

상기 웹 서버(400)는 로컬 서버(200)와 인터넷 망 등의 네트워크를 통하여 연결되어, 로컬 서버(200)로부터 모바일 기기(100) 및 아두이노(300)와 송수신되는 데이터를 전송받아 저장하고, 이를 디스플레이하여 사용자가 웹 상에서 확인할 수 있도록 제공하게 된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 로컬 서버와 모바일 기기 및 아두이노의 통신 설정 과정을 나타낸 흐름도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 아두이노 센서 모듈(320)과 모바일 기기(100) 및 로컬 서버(200)가 구동하여 초기화 과정을 수행하는데, 초기화 과정에서는 아두이노 센서 모듈(320)과 모바일 기기(100) 및 로컬 서버(200) 순으로 진행을 완료하여, 실질적 동작을 시작하게 된다(S100, S200, S300).

아두이노 보드(310)에 연결된 센서 모듈(320) 전체에 대한 초기화가 성공적으로 이루어지면(S110, S310), 로컬 서버(200)는 모바일 기기(100)에 동작 허가 신호를 보내 모바일 기기(100) 및 아두이노 센서 모듈(320)과 통신을 수행하게 된다(S210).

아두이노(300) 및 모바일 기기(100)는 사용자 입력을 통하여 데이터를 입력받고(S120, S220), 미리 약속되어 있는 패킷을 통해 로컬 서버(200)와 데이터 송수신을 하게 된다(S130, S230, S330). 아두이노(300)와 모바일 기기(100) 및 로컬 서버(200)는 데이터를 송수신 할 경우 비동기 진행을 통해 실시간으로 통신을 수행하게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 아두이노 센서 모듈의 설계 일례를 나타낸 것이다.

도 5에 도시된 아두이노 센서 모듈(320)은 아두이노 보드(310)에 FSR(압력 센서), ESP8266(WiFi Module), Relay 모듈과 LED 및 Solenoid, DC 12V 2개가 연결되어, Arduino Due 칩셋과 압력 센서(FSR), WiFi 모듈(ESP8266), LED, Solenoid와 연동하게 개발되었다. 본 모듈은 압력 값이 들어오면 Relay 모듈을 이용하여 LED와 Solenoid에 전원을 공급하는 역할을 하게 된다. 본 센서 모듈은 압력에 의해 물건을 낙하시키고 시선을 집중시키기 위해 고안된 장치로서, 통신은 ESP 8266 칩셋 모델을 이용하여 WiFi 통신을 하며, 명령어는 표 3에 포함된 규약을 사용하게 된다.

도 6은 본 발명에 따른 아두이노 센서 모듈의 다른 설계 일례를 나타낸 것이다.

도 6에 도시된 아두이노 센서 모듈(320)은 아두이노 보드(310)에 ESP8266(WiFi Module), Relay Module 및 Solenoid, DC 12V 2개가 연결되어, Arduino Due 칩셋과 WiFi 모듈, Solenoid를 연동하여 로컬 서버(200)에서 WiFi 모듈을 통해 명령을 전달하면 Relay 모듈을 통해 Solenoid을 제어하는 역할을 하게 된다. Arduino Due 칩셋과 각 센서에 전원을 공급하기 위해서 DC 전원은 총 12V DC 전원이 2개 사용되며, 통신은 ESP 8266 칩셋 모델을 이용하여 WiFi 통신을 하며 명령어는 표 3에 포함된 규약을 사용한다.

도 7은 본 발명에 따른 아두이노 센서 모듈의 또 다른 설계 일례를 나타낸 것이다.

도 7에 도시된 아두이노 센서 모듈(320)은 아두이노 보드(320)에 ESP8266(WiFi Module), RFID-RC522 4개, DC 12V 1개가 연결되어, Arduino Due 칩셋과 WiFi 모듈, RFID-RC522 모듈 4개와 연동한다. 각 RFID 리더기에 RFID 태그가 연결되어 모든 리더기에 신호가 오면 특정 값을 서버로 보내는 역할을 한다. 상기 아두이노 센서 모듈은 특정 물체들의 순서 배치를 판단하는 역할을 하는데, 통신은 ESP 8266 칩셋 모델을 이용하여 WiFi 통신을 하며, 명령어는 표 3에 포함된 규약을 사용한다. DC 전원은 총 DC 12V 전원이 1개 사용된다.

도 8은 본 발명에 따른 아두이노 센서 모듈의 다른 설계 일례를 나타낸 것이다.

도 8에 도시된 아두이노 센서 모듈(320)은 아두이노 보드(310)에 ESP8266(WiFi Module), RFID-RC522, FSR(압력 센서), DC 12V 2개가 연결되어, Arduino Due 칩셋과 WiFi 모듈, RFID-RC522 모듈과 압력 센서를 연동하여 각 RFID 리더기에 RFID 태그가 연결되며 동시에 압력 값이 들어오면 특정 값을 서버로 보내는 역할을 하게 된다. 이 모듈은 프로토타입에서 특정 물체 위치에 어떤 물체가 올라오는 지를 체크하는 모듈로서, 통신은 ESP 8266 칩셋 모델을 이용하여 WiFi 통신을 하며 명령어는 표 3에 포함된 규약을 사용한다. DC 전원은 총 DC 12V 전원이 1개 사용된다.

상기의 구성으로 조합되는 아두이노 센서 모듈(320)은 전원이 연결되는 즉시 해당 센서 모듈의 셋업이 완료되었다는 내용을 로컬 서버(200)로 전달하게 되며, IOT 환경에 필요한 모든 기기들이 셋업 되는 순간 서버는 이를 통제하기 시작한다. 이를 사용하는 사용자 또는 관리자는 모바일 기기(100)에 설치된 앱 또는 웹 환경에서 GUI 형태로 각 기기를 통제하며, 직접적으로 서버 자체에서 명령어를 기기로 보낼 수 있게 된다.

상기 모바일 기기(100)는 IoT 환경에서 아두이노 센서 모듈(320)을 통제하기 위해 IT 융합 프레임워크에서 다음과 같은 기능이 구비된다.

먼저, 모바일 기기(100)는 네트워크 연결 기능이 있어야 하는데, 본 발명에서는 모바일 기기(100)를 IoT 환경에 연결시키기 위해 Wi-Fi 망을 이용한다. 기본적으로 외부 인터넷 망과 연결될 필요가 없기 때문에 폐쇄적인 Wi-Fi 망을 구축하고, TCP/IP 프로토콜을 사용해 서버와의 연결을 시도한다. 이때 폐쇄적인 망이기 때문에 따로 포트포워딩은 구현하지 않았으며, 누락될 메시지가 생기지 않도록 비동기 입출력 함수를 사용하게 된다.

또한, 모바일 기기(100)는 미리 약속된 패킷을 통해 이벤트를 발생시키게 되는데, 서버와 비동기 I/O 함수를 이용해 통신하며 받아온 패킷을 다음의 표 4와 같은 구조로 해석해 안드로이드 기기 상에 보이는 UI를 변경하거나 사용자가 안드로이드 기기를 조작할 때 일치되는 명령을 패킷화하여 서버로 전달하게 된다.

또한, 다양한 센서들을 활용한 모바일 기기(100)에서의 콘텐츠 제작으로, 본 발명에서는 모바일 기기(100)에 Unity3D 내장 기능인 Web Cam 기능, 펜이나 손가락을 이용한 필기형 메모장 기능이 구현된다. Web Cam 기능을 모바일 환경에서 사용하게 되면 기기 내의 카메라(110)를 사용할 수 있게 된다. 이 기능을 사용해 사진을 촬영하고 이 사진의 픽셀 색상 데이터를 기준 색상과 비교하여 일치도가 90% 이상 되었을 때, 이벤트 발생 기능을 발현시켜 로직을 처리하게 된다. 본 발명의 실시예에서는 기본적으로 Unity3D 내장 함수인 LineRender 함수를 사용하였고, 사용자가 메모하는 것을 저장할 목적으로 만든 기능이기 때문에 다른 화면으로 이동했다 복귀해도 그대로 남아있도록 설계된다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템을 통하여 구현된 스마트 토이의 일례이고, 도 10은 스마트 토이의 회로 구성도를 나타낸 것이다. 도 9 및 도 10에 도시된 스마트 토이는 프로세서로 아두이노 우노를 사용하였고, 모터의 구동을 위해 모터 드라이버를 사용하였다. 블루투스 HC-06 모듈을 사용해 스마트폰과 통신을 한다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 모바일 기기에서 구동되는 스마트 토이의 컨트롤 앱 화면을 나타낸 것이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 스마트 토이 컨트롤 앱 화면에서 중앙부의 블루투스 연결버튼으로 로컬 서버(200)를 통하여 스마트 토이와의 상호 연결을 시도하고, A 버튼으로 전진, R 버튼으로 후진, 좌우 화살표로 좌,우회전을, stop 버튼으로 정지 명령을 전달하게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템은 레고형 센서 모듈을 활용하여 IoT 환경에서의 다양한 콘텐츠 제작에 효율적으로 적용할 수 있도록 하고 있다. 특히, IoT 환경에서의 웹 서버(400) 및 로컬 서버(200), 아두이노(300), 모바일 기기(100) 간의 통신의 구현을 통해 프레임워크가 갖추어야 할 사항들을 제안하고, 제안 사항들을 적용한 프레임워크의 프로토타입을 구현함으로써, 스마트 토이 게임 등 IOT 환경에서 다양한 센서 모듈들을 활용한 콘텐츠 제작에 효율적으로 적용할 수 있게 된다.

이러한 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

100 : 모바일 기기 110 : 카메라
120 : WiFi 모듈 200 : 로컬 서버
210 : 공유기 300 : 아두이노
310 : 아두이노 보드 311 : WiFi 모듈
320 : 센서 모듈 321 : 압력 센서
322 : 자물쇠 센서 323 : RFID 센서
324 : LED 325 : 릴레이
326 : Solenoid 400 : 웹 서버

Claims (8)

1. IoT 환경에서 기기 간의 실시간 통신을 구현하는 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템으로서,
   무선 통신 기능이 구비되며, 안드로이드 기반의 앱이 설치되어 구동되는 모바일 기기(100)와;
   무선 통신 기능이 구비되며, 센서 인터페이스를 통하여 센서 모듈(320)과 연결되어 센서 모듈(320)의 동작을 제어하는 마이크로 컨트롤러가 구비된 아두이노 보드(310)와;
   상기 모바일 기기(100) 및 아두이노 보드(310)와 무선 통신을 설정하여 데이터를 송수신하며, 상기 모바일 기기(100)에 설치되어 구동되는 앱의 제어 신호에 따라 아두이노 보드(310)에 연결된 센서 모듈(320)의 동작을 제어하는 로컬 서버(200);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 모바일 기기(100)와 아두이노 보드(310)에는 WiFi 통신을 수행하는 WiFi 모듈(120)(311)이 구비되고, 상기 로컬 서버(200)에는 공유기(210)가 구비되어,
   하나의 로컬 서버(200)에 복수의 모바일 기기(100) 및 아두이노 보드(310)가 연결되어 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 로컬 서버(200)는
   상기 모바일 기기(100)와 아두이노 보드(310)에 연결된 센서 모듈(320)로부터 초기화 코드를 각각 전송받아, 모바일 기기(100) 및 아두이노 보드(310)에 연결된 센서 모듈(320)에게 일괄적으로 초기화 완료코드를 패킷으로 전송한 후,
   상기 모바일 기기(100)와 아두이노 보드(310)에 연결된 센서 모듈(320)로부터 데이터를 입력받아 처리하고, 모바일 기기(100)와 아두이노 보드(310)의 통신을 중계하는 것을 특징으로 하는 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 로컬 서버(200)는
   상기 아두이노 보드(310)에 연결된 센서 모듈(320)과의 데이터 송수신시, 설정된 타임 임계값 이상의 시간이 지연이 발생하는 경우 해당 아두이노 센서 모듈(320)에 문제가 발생한 것으로 판단하여 경고하는 것을 특징으로 하는 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템.
   
5. 제 3항에 있어서,
   상기 로컬 서버(200)는 아두이노 보드(310)에 연결된 센서 모듈(320)의 종류에 따라 각각 센서 번호를 부여하여 식별하고, 아두이노 보드(310)에 새로운 센서 모듈(320)이 추가되는 경우 추가되는 센서 모듈(320)의 종류에 따라 새로운 센서 번호를 부여하여 센서 번호를 확장하는 것을 특징으로 하는 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 로컬 서버(200)는 아두이노 보드(310)에 연결된 센서 모듈(320) 중,
   LED(324), 압력 센서(321), 자물쇠 센서(322)를 조합하여 하나의 센서 번호(xx1)를 부여하고,
   자물쇠 센서(322)에 대해 다른 센서 번호(xx2)를 부여하며,
   복수의 RFID 센서(323)를 조합하여 또 다른 센서 번호(xx3)를 부여하고,
   압력 센서(321), RFID 센서(323)를 조합하여 다른 센서 번호(xx4)를 부여하는 것을 특징으로 하는 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템.
   
7. 제 3항에 있어서,
   상기 로컬 서버(200)는 아두이노 보드(310)에 연결된 센서 모듈(320)의 동작을 제어하기 위하여, 제어 대상이 되는 기기명, 명령어, 매개 변수 값이 포함된 제어 명령어를 아두이노 보드(310)에 전송하는 것을 특징으로 하는 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 로컬 서버(200)는 통신망을 통하여 웹 서버(400)와 연결되어, 상기 모바일 기기(100) 및 아두이노 보드(310)와의 통신에 따라 발생하는 데이터를 전송하며,
   상기 웹 서버(400)는 로컬 서버(200)로부터 전송되는 데이터를 저장하고, 웹 페이지를 통하여 디스플레이하여 사용자에게 제공하는 것을 특징으로 하는 스마트 IT 융합 프레임워크 시스템.

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