R&D연구결과보고서

주관기관 지투지솔루션(주) 참여기관 비아이에스웍스(주)

정보통신기술진흥센터

모바일융합기술센터구축사업

텔레헬스용 위험 감지 및 생체 모니터링 시스템개발

편집순서 2

제 출 문

본 보고서를 “○○○에 관한 기술개발”(개발기간：20 . . ~ 20 . .)과제의 최종보고 서 15부를 제출합니다.

20 . . .

주관기관명 ː 지투지솔루션(주) (대표자) 이천림, 전한철 (인) 참여기관명 ː 비아이에스웍스(주) (대표자) 차상희 (인)

총괄책임자 : 전한철 참여기관책임자 : 차상희

정보통신․방송 연구개발 관리규정 제36조에 따라 보고서 열람에 동의합니다.

※ (인)은 1장에 찍는 것이 원칙이나, 불가피한 경우 개별적으로 가능

편집순서 3

정보통신․방송 기술개발사업 최종보고서 초록

1. 일반 현황

사업명 모바일융합기술센터구축사업 기술분류 원격및재택의료기기

과제명(과제번호) 텔레헬스용 위험 감지 및 생체 모니터링 시스템개발 (○R0181-14-1026)

주관기관

기관

(기업)명 지투지솔루션(주) 설립일 2012 . 11 . 23 . 주소 경기도 성남시 분당구 판교로344 B107호 대표자

(기관장) 이천림, 전한철 연락처 031-627-0303

홈페이지 Fax 031-627-0333

기술 개발 현황

총괄책임자 전한철 연락처 031-627-0305

실무담당자 이미화 연락처

(e-mail)

031-627-0303 ([email protected]) 참여기관

(책임자) 비아이에스웍스(주) ( 차상희 ) 총사업비

(천원)

정부출연금 민간부담금

현금 현물 합계

300,000 10,000 90,000 400,000 총수행

기간 2014 . 7 . 1 ~ 2015 . 6 . 30

2. 기술개발 개요

본 개발 대상 기술 및 제품은 낙상, 심장 마비 등의 응급 상황을 즉시 검지할 뿐 만 아니라, 별도의 장치를 몸에 부착하지 않아도, 가입자의 생체 신호를 실시간으 로 점검하여, 평상시 건강 관리와 질병의 조기 발견을 가능하게 하는 제품이다.

부착하는 대신 UWB radar를 이용한 비접촉센서를 Zigbee-a 로 게이트웨이에 연

결하여 정보를 저장하여 응급 상황과 건강관리에 이용한다.

키워드 UWB 레이더, 생체신호, 텔레헬스, 얼굴인식,

핵심기술

1) UWB 레이더를 이용한 위치 추적 기술 2) UWB 레이더를 이용한 생체 신호 취득 기술 3) Zigbee를 이용한 위치/생체 정보 통신 기술

최종목표

[최종 목표]

텔레헬스용 위험감지 및 생체 모니터링 시스템 개발

[최종 결과물]

1) 생체감지 센서 2) 게이트웨이

3) 생체 감지 센서 SW 4) 게이트웨이 SW

개발내용 및 결과

[주관기업 - 지투지솔루션]

1) 개발 내용

- 생체감지 센서 등 여러 센서의 정보를 수집하고 저장하는 게이트웨이 개발

- 사용자를 자동으로 인식할 수 있도록 얼굴 인식 기능 개발 - 외부 서버(가상)와 연결할 스마트앱 개발

2) 결과물

- 게이트웨이 HW - Zigbee-a HW

- 게이트웨이 SW (얼굴 인식, 생체 정보 수집 및 저장), FW - 스마트앱

[참여기업 - 비아이에스웍스]

1) 개발 내용

- 생체감지 센서를 위해 UWB 레이더(NVA6021)를 이용해 레이더 센서 하드웨어 개발

- 레이더로부터의 신호를 이용해 MCU(TCC7920S)에서 위치와 생체 신호 감지 알고리즘 개발

- 감지된 정보를 Zigbee를 이용해 Gateway로 전송

2) 결과물 - 생체감지 센서 - UWB 레이더 안테나

- 생체 감지 센서 SW (위치 및 생체정보 감지) - 특허 1건 출원

3. 개발결과 요약

기술개발 배경

- 노인인구 급증과 더불어, 핵가족화 및 고령자의 의식 변화 등에 의해 자녀와 떨어져 독립적으로 생활하는 고령자의 수가 지속적으로 증가

- 신체 기능이 허약해지는 고령자가 안전하고 독립적인 삶을 살기 위해서는 텔레케어 서비스를 비롯한 다양한 고령자 지원 서비스가 필요

- 기존의 텔레케어 서비스는 낙상, 심장마비 등 응급 상황 발생 시, 환자가 응급 호출기를 누를 수 없는 상황에서의 대처가 미흡하고, 가입자에 대한 건강상태를 자동으로 점검하는 기능이 없움

- 그래서 낙상, 심장 마비 등의 응급 상황을 즉시 감지할 뿐만 아니라, 별도의 장치를 몸에 부착하지 않아도, 가입자의 생체 신호를 실시간으로 점검하여, 지속적으로 측정된 생체 신호를 근간으로 평상시 본인의 건강 관리와 질병의 조기 발견을 가능한 기술 개발 필요

핵심개발 기술의 의의

[비접촉 생체신호 취득]

- 기존의 호흡수나 심박수와 같은 생체 신호를 취득하는 기술들은 거의 모두 신체에 접촉해야 가능

- 개발한 기술은 사용자가 무자각 상태에서 비접촉으로 호흡수와 심박수를 취득 가능

적용 분야

1) 보안용 레이더 - 침입자 탐지 및 추적을 위한 레이더

2) 베이비 모니터링 제품 - 아기의 생체 상태를 지속적으로 모니터링하고 이상시 알람

3) 수면 모니터링 제품 - 수면의 질과 양을 측정

4. 기술 및 경제적 성과

기술적 성과

- 생체 신호 정확도 : 기존 장비들과 같은 정확도를 비접촉 상태에서 취득

기존 장비 비교 비고 호흡수 ±1 BPM ^{호흡 측정 센서}

심박수 ±5 BPM ^{심박계 비교}

- 위치 정확도 : 2대 이상 생체 신호 센서를 이용해 대상자의 정확한 위치 측 정하고 실제 대상자의 위치와 비교하여 0.5 m 이내에 존재

- 특허 1건 출원

경제적 성과

[주관기업]

- 신규 고용 2명 [참여기업]

- 신규 고용 1명

5. 파급 효과 및 기대 효과

파급 효과

- 무접점 생체 모니터링 기능을 의료 분야에 적용 1) 베이비 모니터링 제품

2) 수면 모니터링 제품 3) 환자 모니터링 제품

- 보안 분야에서 침입자 감지 시스템

기대 효과

o 텔레헬스가 보급되면 일자리 창출 효과, 수입 대체 효과, 수출 증대 효과, 비 용 절감할 수 있어 큰 경재적인 효과

- 2012년 3월 영국 보건부 장관은 텔레헬스 기술을 통해 영국 NHS(National Health System)가 향후 5년 간 12억 파운드(약 2조원)를 절감할 수 있다고 발 표

- 영국 보건부의 텔레헬스 시범프로그램은 텔레헬스 이용을 통해 응급환자 조 치 15%, 입원 확률 14%, 사망률 45% 절감이라는 효과를 증명해 냄.

- 2013년 통계청 자료에 따르면, 2012년 말 국내 65세 이상 노인 인구가 589만 명으로 전체 인구에서 11.8%를 차지하고 있으며, 2020년에는 808만명에 15.7%, 2030년에는 1,269만명에 24.3%를 차지할 것으로 예상

- 또한, 2012년말 65세 이상 노인에 대한 건강보험상의 진료비는 16조원으로 전체 진료비의 33.3%를 차지하고 있으며, 노인 1인당 진료비가 연간 293만원에 이르는 것으로 나타남.

- 10%의 효과가 있다고 가정할 경우, 약 1조 6천억원의 절감효과 o 새로운 시장이 형성되므로 산업적으로도 많은 효과를 나타낸다.

- 인메디카에 따르면, 2016년 10억달러, 2020년까지 세계 텔레헬스 시장규모가 60억달러에 달할 것으로 전망하고 있으며, 특히 홈 모니터링이 시장을 주동할 것으로 관측

- 의료기기 업체, 의료기관, 서비스 제공업체, 전기통신 업체 등 다양한 산업들 의 융합을 촉진시킬 것으로 예상

6. 해당 기술, 제품의 시장현황

국내 시장

- 한국보건산업진흥원에서 밝힌 2013년 국내 원격진료(텔레메디슨) 시장은 2600억원으로 글로벌 시장 (39조원) 대비 미비한 규모

- 그러나 2014년 시범사업 이후, 2016년에 법제화 되는 경우, 국내 텔레메디슨 시장은 1조원 이상 규모로 가파르게 성장할 전망

- 특히 만성질환 (고혈압과 당뇨), 통원치료, 노인 및 장애인 치료 등 을 중심으로 빠르게 확산될 전망이며 해외에서는 선진국에서부터 개발 도상국에 이르기까지 원격진료가 다양한 분야에 이미 적용

해외 시장

- BCC Research사에 따르면, 임상을 강조한 원격의료인 텔레메디슨 분야의 2012년 세계 시장 규모가 약 94억불, 2017년에는 200억불을 상회함으로써, 연평균성장률(CAGR) 16.8%를 이룰 것으로 예측

- 동사는 모바일 기기나 인터넷 접속을 이용하여 원거리/재택 환자를 모니터링 하는 방식의 텔레헬스 서비스는 2012년 44억불, 2017년에는 시장규모가 120억불 이상으로 연평균성장률(CAGR) 22.5%의 고성장을 이룰 것으로 전망. 텔레헬스 서비스 시장은 비교적 법적, 임상적 규제가 덜 엄격하기 때문에, 텔레헬스 시장은 새로운 기술혁신들을 끌어들일 수 있는 가능성이 많은 분야

- 텔레메디슨과 텔레헬스를 모든 합쳐서, 지역별로 분석해 보면, 가장 큰 시장인 미국의 경우, 2012년 69억불이고 2017년에는 178억불로 연 평균성장률(CAGR) 21%를 예상. 이는 오바마케어(Affordable Care Act) 법의 시행이 2014년부터 전 국민을 상대로 시행됨에 따라, 의사 수의 부족을 해결하기 위해서, 텔레헬스 분야가 급격히 증가할 것으로 예상.

- 두 번째로 큰 시장인 유럽의 경우에는 2012년 41억불, 2017년 97 억불로 연평균성장률(CAGR) 19%를 예상.

- 아시아를 비롯한 나머지 지역은 2012년 28억불, 2017년 50억불로 연평균성장률 12%를 예상.

[주관기업 - 지투지솔루션]

1. 게이트웨이 하드웨어

2. Zigbee-a 하드웨어

7. 제품사진

[참여기업 - 비아이에스웍스]

1. 제품 기구

2. 제품 내부

< 정보통신 ․ 방송 기술개발사업 주요 연구성과 >

사업명 모바일융합기술센터구축사업

과제명(과제번호) 텔레헬스용 위험 감지 및 생체 모니터링 시스템개발(○R0181-14-1026)

주관기관명 지투지솔루션(주) 설립일 2012 . 11 . 23 .

주소 경기도 성남시 분당구 판교로344 B107호

대표자(기관장) 이천림, 전한철 연락처 031-627-0303

총괄책임자 전한철 FAX 031-627-0333

총수행기간 2014 . 7 . 1 . ~ 2015 . 6 . 30 .

총사업비(백만원) 400 정부출연금 300 민간부담금 100

참여기관(책임자)

성과지표 세부지표 성 과 비 고

사업화 성과

매출액

개발제품 개발후 현재까지 억원

향후 3년간 매출 억원

관련제품 개발후 현재까지 억원

향후 3년간 매출 억원

시장 점유율

개발제품

개발후 현재까지 국내 : %

국외 : % 향후 3년간 매출 국내 : 2 % 국외 : 0.08 %

관련제품

개발후 현재까지 국내 : %

국외 : % 향후 3년간 매출 국내 : % 국외 : % 세계시장

경쟁력 순위

현재 제품 세계시장 경쟁력 순위 위

3년 후 제품 세계 시장경쟁력 순위 위

기술적 성과

특허

국내 출원 1 건

등록 건

국외 출원 건

등록 건

논문발표 국내 건

국외 건

파급효과

고용효과 개발 전 명

개발 후 명

선진국 대비 기술수준 80 %

국산화율 30 %

기타 표준 제개정, 기술이전 및 수상실적 등

□ 구체적인 연구 성과

1. 지식재산권

번 호 종 류 명 칭 출원일 등록일 국 명 등록번호 발생차수

1 특허

레이더를 이용한 복잡한 상황에서 무체 감지 및 거리

측정 방법

2015-6-30. 한국 10-2015-0092619

(출원번호) 1 차년도

차년도 차년도 차년도

2. 논문 게재/발표 실적

번 호 구분(논문 게재 or

학회발표) 논문명 저자명 저널명 일시 구분

(국내, 국외)

등재 SCI 여부

발생차수

차년도 차년도 차년도 차년도

3. 기술이전 실적

번 호 기술이전 내역 대상국명 대상기관명 이전일시 수입금액(백만원) 발생차수 차년도 차년도 차년도 차년도

4. 인증/포상 실적 등 (국내 및 국외)

번 호 구분 명칭 일시 국명 수여기관명 발생차수 차년도 차년도 차년도 차년도

5. 사업화 계획 및 매출 실적

항 목 세부 항목 성 과

사업화 계획

사업화 소요기간(년) 2년 소요예산(백만원) 250

예상 매출규모 (억원)

현재까지 3년후 5년후

0

시장 점유율

단위(%) 현재까지 3년후 5년후

국내 0 2 16

국외 0 0.0043 0.076

향후 관련기술, 제품을 응용한 타 모델, 제품 개발계획

아래 센서에 대해 추가적인 개발 계획 중 1. 근접센서 (레이더로 사람 인지) 2. 생체센서 (호흡수, 심박수 감지) 3. BIS 게이트웨이

무역 수지 개선 효과

(단위: 억원) 현재 3년후 5년후

수입대체(내수) 수 출

6. 고용 창출

항목 세부 항목 성 과

고용 효과 [지투지솔루션]

개발 전 연구인력 7 명

생산인력 명

개발 후 연구인력 8 명

생산인력 명

항목 세부 항목 성 과

고용 효과 [비아이에스웍스]

개발 전 연구인력 2 명

생산인력 명

개발 후 연구인력 3 명

생산인력 명

7. 기타 성과

8. 변경 이력

- 참여 연구원 퇴사로 인한 변경

편집순서 4

목 차

제 1 장 서론

제 1 절 과제의 개요

제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법

제 2 절 단계 목표 및 평가 방법

제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 제 4 절 수행 결과의 보안등급

제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황

제 3 장 결과 및 사업화 계획 제 1 절 연구개발 최종 결과

- 연구개발 추진 일정 - 연구개발 추진 실적

- 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 전체를 기재 제 2 절 연구개발 추진 체계

- 각 기관/기업별 역할 및 추진 내역

제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망(당초 기술개발 시작 시점의 조사와 변화된 것 위주 로 기술)

제 4 절 고용 창출 효과 제 5 절 자체보안관리진단표

부 록 : 시험성적서, 도면, 설계도 등

제 1 장 서론

제 1 절 과제의 개요

기존의 텔레헬스 서비스는 낙상, 심장마비 등 응급 상황에서, 환자가 긴급 호출기 를 누를 수 없는 상황에서의 대처가 미흡하고, 가입자에 대한 건강상태를 자동으로 점검하는 기능이 없기 때문에, 전화 문진 서비스와 같은 단순 건강 관리 서비스로 제한되어 있었다.

본 개발 대상 기술 및 제품은 낙상, 심장 마비 등의 응급 상황을 즉시 검지할 뿐만 아니라, 별도의 장치를 몸에 부착하지 않아도, 가입자의 생체 신호를 실시간으로 점검하여, 평상시 건강 관리와 질병의 조기 발견을 가능하게 하는 혁신적인 텔레헬 스 서비스를 가능하게 한다.

이 제품에 대한 구성도는 아래 그림과 같다.

생체 신호 감지센서

스마트 앱

긴급 호출기

게이트웨이

카메라

<그림 1-1> 제품 구성도 이를 위한 제품의 전체적인 구성과 기능은 다음과 같다.

1) 침실, 거실, 화장실 등에 생체 신호 감지 센서가 설치되고, 휴대형 긴급 호출기 는 가입자가 휴대하고, 현관에는 카메라가 설치된다.

2) 거실에 설치된 게이트웨이는 인터넷 망에 연결되어 홈서버의 역할을 하며, 센서

로부터 오는 모든 데이터를 기록하고, 인증을 허가 받은 사람이 외부에서 게이

구성요소 기능

게이트웨이

1. 생체신호 감지 센서로부터 자료를 입수하고 저장, 관리 2. 생체신호 감지 센서로부터 응급 상황 여부를 확인하고 외부에 통보

3. 긴급 호출 앱와 긴급호출기로부터 위험 상황 여부를 확 인하고 외부에 통보

4. 등록된 외부 사용자로부터 저장된 생체 신호에 대한 요 청이 오는 경우, 자료 전달

카메라 가입자의 신원을 확인

생체 신호 감지 센서 1. 실시간으로 가입자의 생체 신호(심박수, 호흡수, HRV), 위치 그리고 움직임을 수집

긴급호출기 감지 센서생체신호

카메라 게이트웨어

감지 센서생체신호

감지 센서생체신호

스마트앱

트웨이에 접속하여, 정보를 열람할 수 있게 한다.

3) 주요한 곳에 설치된 생체 신호 감지 센서는 가입자의 움직임과 심박수 및 호흡 수를 감지하고 이를 게이트웨이에 전송한다.

4) 생체 신호 감지 센서로부터 낙상이나 심정지와 같은 응급 상황이 발생하면, 게 이트웨이는 이를 수신하여, 즉시 보호자 및 응급 콜센터에 사실을 알린다. 가입 자가 모두 외출할 경우에는 자동으로 방범모드로 전환하여, 외부 침입자에 대 한 경계 모드로 전환된다.

5) 가입자가 외출에서 돌아오면, 카메라 얼굴 인식을 통해서, 방범 모드를 해제하 고, 생체 신호 감지 모드로 전환된다.

이 제품을 실제 환경에 설치할 모습은 아래 그림과 같다.

<그림 1-2> 제품 설치 모습

이 제품에 포함된 각 구성요소들과 그 요소의 기능은 다음과 같다.

2. 수집된 생체 신호와 움직임에서 수면 여부를 확인 3. 수집된 생체 신호에서 응급 상황 여부를 확인

긴급 호출기 ZigBee를 통한 긴급호출 전용 디바이스

긴급 호출앱 스마트 기기를 통한 긴급호출 이벤트

o 무접점 생체 신호 감지 센서

본 기술 및 제품의 핵심은 “무 접점 생체 신호 감지 센서”이며, 이는 UWB 레이 더

프론트 엔드(Front-End) 칩, 신호처리용 DSP

, 무선 통신 칩 및 안테나로 구 성되어 있다.

UWB 레이더 프론트 엔드 (Front-End) 칩이 안테나를 통해서 전자파를 송신하고 대상 물체에서 반사되어 전자파를 수신한다. 또 이 칩은 수신된 신호를 필터링하고 디지털화하여 신호처리용 DSP로 전달된다. (<그림 1-3> 참조)

DSP에서는 필터링, 클러터 제거, 주파수 변환, 통계 처리 및 HRV (Heart Rate Variability: 심박변이도) 신호 처리 등의 알고리즘을 통해서 심박수, 호흡수, HRV, 위치, 움직임양 등의 1차 데이터를 생성한다. 그리고 생성된 1차 데이터를 분석하 여, 낙상, 심정지 등 응급 상황 감지, 외출 여부 감지, 수면 여부 감지 등의 2차 생 체 정보를 획득하고, 이를 통신 모듈을 통해서 게이트웨이에 전달한다.

생체신호 모니터링을 통한 건강관리 기능이 가능함으로써, 다음과 같은 특장점이 있다.

1) 주택에 머무는 시간에는 항상 모니터링이 가능하므로, 장기적인 데이터의 축적 이 가능하고 이 축적된 데이터는 건강 모니터링에 사용이 가능하다.

2) 장치를 의식할 필요가 없도록, 신체에 장치를 부착하지 않고 측정하므로 사용 자에게 편안함을 준다.

3) 스트레스 지수, 빈맥, 서맥, 자율신경계 이상 등과 같은 생체 신호 변화를 지속 적으로 모니터링 함으로써, 이상 발견 시 전문의와의 상담을 통해, 질병의 조기 발견에 기여할 수 있다.

1) UWB(Ultrawide Band) 레이더는 주파수 영역에서 광대역을 갖는 임펄스를 송신하여 목표물로부터 반사파를 입수하고 이로 부터 여러 가지 정보(위치, 물체 특성)를 획득하는 레이더이다.

2) DSP(Digital Signal Processor)는 디지털 신호 처리를 위해 특별히 제작된 마이크로프로세서로 특히 실시간 운영 체제 계산 에 사용된다

UWB Radar DSP

/ MCU

ZigBee SPI Ant

호흡신호

심박신호 호흡수

심박수 HRV 움직임량

외출여부 수면여부 이상여부

알고리즘호흡수

알고리즘심박수

알고리즘HRV

위치 추적 알고리즘 위치

클러터 제거

위치/움직임 이상여부알고리즘

수면여부알고리즘

외출여부알고리즘

HW 구성 외부출력

4) 기존 질병을 가지고 있는 환자의 경우에는 자신의 상태 변화를 인지함으로써, 지속적이고 일관된 건강관리를 지원한다.

5) 매일, 매주, 매월, 매분기 단위의 상태 변화를 보고함으로써, 건강관리의 기초 자 료가 구축된다.

6) 수면 중에는 심박수, 심박변이도(HRV)

와 호흡수를 기록 관리함으로써, 수면 중 발생하는 무호흡 등에 대한 정보를 가입자에게 알려준다.

<그림 1-3> 생체신호 감지 센서 구성도

o 게이트웨이

게이트웨이는 전체 시스템의 홈서버 역할을 하며, 모든 센서로부터 들어오는 데이 터를 저장하고 관리하는 기능을 담당한다.

그리고 모든 데이터는 게이트웨이의 SDCARD에 저장되므로 저장 용량은 32GB 이상이여야 한다. 예를 들어, 1년치 초당 256 Sample 심박신호(16 bit sample) 정보 량은 아래 수식처럼 약 15.3 GBytes 정도이다. 이런 심박신호 외에도 호흡수 등 여 러 생체 정보를 저장해야 한다.

1. 심박신호 : 365 x 24 x 60 x 60 x 256 x 2 bytes (16-bit) = 15.3 GBytes

3) 삼박변이도(Heart Rate Variability, HRV)는 심박 신호에서 최대 Peak치간의 시간차에 대해 변이도를 의미하며 두뇌와 심장 연결계의 건강을 알려주는 척도이며, 스트레스에 대한 저항성 정도를 측정하는 중요한 수단이다.

Data 저장 센서 관리 통신기능외부 I/F 카메라 기능

Data 분석 Data 통계 홈 G/W 관리

모니터링 BT

Zigbee 생체신호감

지센서

긴급호출기

긴급호출 앱

게이트웨이 병원

경찰서 소방서

인터넷

2. 호흡신호 : 365 x 24 x 60 x 60 x 128 x 2 bytes (16-bit) = 7.7 GBytes 3. 위치 Tracking : 365 x 24 x 60 x 60 x 4 bytes (32-bit) = 0.13 GBytes

또 하나 게이트웨이의 기능은 카메라 얼굴 인식을 통한 신원 확인 기능이다. 이 기 능은 동시에 여러 사람의 생체 신호를 감지하는데 각각의 생체 신호가 어떤 사람 의 것인지 확인하는데 사용한다.

게이트웨이에서 이렇게 수집된 생체 정보들은 일, 주, 월, 분기, 연 단위의 자동 보 고서를 생성하고 이를 이메일과 SMS 형태로 가입자 및 보호자에게 통지한다. 추가 적으로 병원의 의사 또는 간호사 등 가입자로부터 허가 받은 자로부터, 요청이 있 을 때, 저장된 가입자 생체 정보를 열람하도록 하는 기능을 제공해야 한다. 이 기 능을 위해 외부 응용 프로그램이 게이트웨이 접근할 수 있는 API를 제공한다.

또한 가입자나 보호자가 판단해서 건강상 위급한 상황이 생겼다고 판단되는 경우 홈서버인 게이트웨이에 부착되어 있는 긴급 버튼을 클릭하면 게이트웨이에서 자동 으로 지정된 콜센터로 긴급 출동 메시지를 발송한다.

마지막으로 가입자가 긴급 호출기을 누르면, 지정된 콜 센터가 연결하는 기능도 제공한다.

<그림 1-4> 게이트웨어 구성도

구분 내용

최종목표

생체 신호 감지센서

게이트웨이

카메라

의료기관

경찰 소방서

가족 스마트 앱

긴급 호출기

o 최종 목표 : 텔레헬스용 위험 감지 및 생체 모니터링 시스템 개발

o 최종 결과물 - HW

1) 생체 감지 센서 2) 게이트웨이 3) 긴급 호출기

- SW

1) 생체 감지 센서 SW

* 항시 여러 명에 대해 다중 생체 정보를 감지하는 기능 제공 2) 게이트웨이 SW

* 위험이 감지되면 외부에 통보하고 감지된 생체 정보를 저장하고 분석하는 기능 제공

3) 스마트 앱 및 긴급 호출 앱

* 게이트웨이를 관리자와 사용자가 보는 앱

[전체 시스템]

세부목표

o 주요 기능(또는 규격) - 생체 정보 감지 센서

1) 다중 생체 정보 감지 기능 * 호흡수, 심박수, HRV

2) 위치 추적과 움직임 감지 기능 3) 수면 여부 감지 기능

4) 생체 이상 여부 감지 기능

제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과 ( 기술개발 내용 및 방법 ) 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법

1. 최종 목표

구분 내용

5) 여러 명에 대해 동시에 생체 정보, 위치, 수면 여부, 생체 이상 여부 감지 기능 제공

- 게이트웨이

1) 얼굴 인식 알고리즘 2) 생체 감지 시 경보 기능

3) 긴급 호출기나 긴급 호출앱에서 발생한 이벤트 처리

4) 일정 주기로 생체 정보와 활동 정보를 정리하여 요약 정보를 등록자들에 게 문자로 통보

5) 등록자들에게 상세 생체 정보와 활동 정보를 접근할 수 있는 기능

o 주요 성능치

- 생체 신호 정확도 : 실시간으로 생체 신호를 감지해 실제 측정 장비와 비교 하여 정확도 산정

기존 장비 비교 비고 호흡수 ±1 BPM 호흡 측정 센서

심박수 ±5 BPM ^{ECG 비교}

- 위치 정확도 : 3대의 생체 신호 센서를 이용해 3명 대상자의 정확한 위치를 측정하고 실제 대상자의 위치와 비교하여 1m 이내에 존재해야 함

o 핵심 기술

- 다수의 움직임을 동시에 감지하는 무접점 생체 신호 감지 센서 (세계 최초)

o 적용범위(또는 서비스)

- (텔레헬스의 경우) 무접점 생체 신호 감지센서를 이용해 24시간 내내 대상 자의 위험을 감지하고 생체 신호를 저장해서 나중에 건강 상태를 체크하는 데 사용 가능

- (요양원의 경우) 무접점 생체 신호 감지센서를 이용해 환자의 호흡수와 심박 수를 감지하여 환자의 위험을 감지하고 위급 상황에 대해 간호사나 의사에 게 경고하는 기능

2. 개발기술의 평가 방법 및 평가 항목

<정량적 목표 항목>

평가 항목 (주요성능 Spec¹⁾)

단위

전체 항목 에서 차지하는

비중²⁾ (%)

세계최고 수준 보유국/

보유기업 ( / )

연구개발 전 국내수준

개발 목표치

평가 방법³⁾

성능수준 성능수준 1차 년도 (2014

년) 2차 년도 (20XX

년) 3차 년도 (20X X년)

4차 년도 (20X X년)

5차 년도 (20X X년) 1. 심박수

정확도 BPM 15

±

(미국/AiveC or)

±

±

적서 2. 호흡수

정확도 BPM 15

±

(미국/Masim o)

±

±

적서 3. 위치

정확도 m 10

1

(독일/Nanotr on)

1 0.5 공인 시험성

적서 4. 보관될

데 이 터 의 종류 가지 수

개 15 미국/Ope

nEHR - 10< 자체평가(외

부전문) 5.보안 수

단의 구현 가지수

개 15 미국/Ope

nEHR - 3< 자체평가

6 . 사용자

인식율 % 20 미국/Yale 95 95< 공인 시험성

적서 7. HRV

정확도 % 10 80 - 80>

8.

3)평가방법은 “자체 평가”, “공인 시험성적(확인)서”, “수요기업 평가”로 구분하여 기재

* 심박수 정확도의 식약청 기준은 30~200 bpm, 정확도는 ±10% 또는 ± 5bpm 중에 서 큰 쪽이어야 한다. 만약 200 bpm의 경우 식약청 기준으로 195 ~ 205 bpm이 인증 기준이 된다. 이 경우 97% 이상이 되어야 기준을 통과한다.

* 동시 최대 측정자 수는 심박수와 호흡수를 동시에 측정하는 장비가 없기 때문에 추가하지 않았다.

* HRV는 ECG

심박 신호에서 R간의 거리나 SCG

심박 신호에서 AO간의 거리

4) ECG는 피부에 부착된 전극을 이용해 심장의 전기적인 신호를 취득하여 사용

를 이용한다. UWB 레이더의 심박 신호는 SCG와 유사하다. 그래서 레퍼런스로 사용하는 ECG와 같은 신호가 아니라 높은 상관관계를 가지고 있다. 그래서 그 아주 정확하지 않다 .

* 위의 신호는 ECG이고 아래 그림은 SCG이다.

* 수면무호흡 지수에 대해선 호흡 신호를 이용해 산정할 예정이지만 이 정확도는 실제 수면 관련 임상의들이나 수면 질환에 대한 연구자들과 같이 연구해야 더 정 확한 지수를 산정할 수 있다. 그래서 수면무호흡 지수에 대한 정량적 목표는 산 정하지 않았다.

3. 정량적 목표 항목의 평가방법 및 평가환경

7가지 정량적인 평가에 대한 테스트 방법과 절차는 다음과 같다.

가. 위치 정확도

- 테스트 목적 : 사람이 움직일 때 사람을 감지하고 그 위치를 정확히 측정 - 테스트 환경

아래 그림처럼 5 m x 5 m 빈 공간에 2대의 센서를 x축과 y축의 3.5 m 위치에 설 치하고 우측상단 3 m x 3 m 공간에서 이동하는 물체의 위치를 감지

5) SCG는 가슴에 가속센서를 부착하여 심장의 운동으로 발생한 진동을 측정하여 분석

그림 11 위치정확도 테스트 환경

* 센서 앞의 2 m 공간에 대해 테스트하지 않는 이유는 이 과제에서 개발된 안테 나의 빔폭이 70도 정도이기 때문에 이 공간이 두 센서가 동시에 감지되지 않기 때 문이다.

- 테스트 절차

(1) 센서를 설치하고 선을 그림

(2) 사람이 가장 중앙에서 서서 30초 대기 (3) 앞으로 한 칸 움직이고 30초 대기 (4) 뒤로 두 칸 움직이고 30초 대기 (5) 앞으로 한 칸 움직이고 30초 대기 (6) 좌측으로 한 칸 움직이고 30초 대기 (7) 우측으로 두 칸 움직이고 30초 대기 - 테스트 사진

실험자가 위치를 이동하면 테스트하는 모습

그림 12 위치 정확도 테스트 화면

- 예상 결과 : 이동한 위치를 위치 소프트웨어에서 표시

- 테스트 결과 : 정상적으로 작동

No 실제 이동 표시 정확도

1 5 5 O

2 4 4 O

3 1 1 O

4 2 2 O

5 3 3 O

6 6 6 O

7 9 9 O

8 8 8 O

9 7 7 O

평균 오차 모두 정확

나. 호흡 정확도

- 테스트 목적 : 1m 앞의 움직이지 않는 사람의 호흡수 측정 - 테스트 환경

아래 그림처럼 1m 앞에 실험자가 앉은 상태에서 센서를 이용해 호흡수를 측정하고 동시에 호흡계를 이용해 호흡수를 측정

그림 13 생체신호 검출 테스트 환경(호흡수, 심박수, HRV)

- 테스트 절차

(1) 센서와 의자를 설치

(2) 레퍼런스 장치를 실험자에 장착

(3) 실험자가 의자에 앉아 1분 후에 측정 시작

(4) 10초 단위로 호흡수 측정

(5) 3분 동안 측정하여 그 평균값을 구함 - 테스트 사진

실험자가 호흡수 테스트 모습 - 테스트 결과 : 정상적으로 작동

호흡수 정확도 = |A - B|

A : 센서로 측정한 호흡수 B : 레퍼런스 호흡수

테스트 결과는 19번 테스트에서 모두 오차 범위 내에 있었다. 상세한 테스트 겨로 가는 아래 표와 같다.

No Vernier 호흡수 센서 호흡수 오차

1 17 17 0

2 17 18 1

3 18 17 1

4 18 17 1

5 17 17 0

6 18 17 1

7 17 18 1

8 17 16 1

9 17 18 1

10 18 18 0

11 18 18 0

12 18 18 0

13 17 16 1

14 17 16 1

15 17 16 1

16 17 18 1

17 17 16 1

18 17 18 1

19 17 18 1

평균 오차 0.74

- 테스트 프로그램

그림 14 심박수와 호흡수 테스트 프로그램

다. 심박 정확도

- 테스트 목적 : 1m 앞의 움직이지 않는 사람의 심박수 측정 - 테스트 환경

그림 70처럼 1m 앞에 실험자가 앉은 상태에서 센서를 이용해 심박수를 측정하고 동시에 심박계를 이용해 심박수를 측정

- 테스트 절차

(1) 센서와 의자를 설치

(2) 레퍼런스 장치를 실험자에 장착

(3) 실험자가 의자에 앉아 1분 후에 측정 시작 (4) 10초 단위로 심박수 측정

(5) 3분 동안 측정하여 그 평균값을 구함 - 테스트 사진

실험자가 심박수 테스트 모습 - 테스트 결과 : 정상적으로 작동

심박수 정확도 = |A - B|

A : 센서로 측정한 호흡수

B : 레퍼런스 호흡수

테스트 결과는 19번 테스트에서 모두 오차 범위 내에 있었다. 상세한 테스트 결과 는 아래 표와 같다.

No H7 심박수 센서 심박수 오차

1 79 79 0

2 76 79 3

3 76 79 3

4 77 76 1

5 77 79 2

6 77 79 2

7 76 79 3

8 76 76 0

9 75 76 1

10 75 83 8

11 75 76 1

12 75 73 2

13 75 76 1

14 76 73 3

15 76 76 0

16 76 76 0

17 76 72 4

18 76 75 1

19 78 75 3

평균 오차 2

라. HRV 정확도

- 테스트 목적 : 1m 앞의 움직이지 않는 사람의 HRV 측정 - 테스트 환경

그림 70처럼 1m 앞에 실험자가 앉은 상태에서 센서를 이용해 HRV를 측정하고 동 시에 심박계를 이용해 HRV를 측정

- 테스트 절차

(1) 센서와 의자를 설치

(2) 레퍼런스 장치를 실험자에 장착

(3) 실험자가 의자에 앉아 1분 후에 측정 시작 (4) 1분 단위로 HRV 측정 (HRV는 SDNN

을 사용) (5) 5번 반복 측정하여 그 평균값을 구함

- 테스트 결과 : 정상적으로 작동

HRV 정확도 = 100 - ( (A - B) / B ) * 100 A : 센서로 측정한 HRV

B : 레퍼런스

아래 그림은 레퍼런스 장치와 센서의 HRV를 표시하였다. 이 테스트에서 HRV 정 확도가 85% 정도이다.

그림 15 레퍼런스 장치와 센서의 HRV

이 테스트를 9번 반복 테스트한 결과 모두 80% 이상 정확도가 나왔다. 아래 표는 그 테스트 결과이다.

6) SDNN은 HRV를 측정하는 한 방법. 일정 시간동안 취득된 심박 신호(RR간의 시간 간격)의 표준편차.

데이터 종류 수집 장치 수집 방법 저장 방법 심박수

생체신호감지센서 Zigbee 통신에 의

한 데이터 수집 주기적으로 수집하 여 게이트웨이 내 부 DB에 저장 (sqlite)

호흡수 위치 HRV 걸음수

fitbit flex

fitbit api 서버와의 통신을 통한 데이 터 수집

칼로리소모 활동적시간 이동거리 수면시간 수면효율

No H7 SDNN 센서 SDNN 정확도

1 0.027 0.031 84.9

2 0.032 0.028 88.1

3 0.032 0.032 97.6

4 0.034 0.030 85.7

5 0.028 0.032 85.6

6 0.024 0.029 81.1

7 0.029 0.032 88.7

8 0.041 0.039 93.6

9 0.036 0.034 94.1

마. 보관될 데이터의 종류 가지수

게이트웨이에 구현한 보관 데이터의 가지수는 다음과 같이 10가지를 저장한다.

저장된 데이터의 종류는 SD CARD를 열어 10가지 종류를 확인할 수 있다.

1) 데이터 수집 방법

심박수, 호흡수, 위치, HRV 데이터는 텔레헬스용 위험 감지 및 생체 모니터링 시 스템이 설치된 장소에 등록된 사용자의 움직임에 따라 생체신호감지센서로부터 자동 수집된다.

걸음수, 칼로리소모, 활동적시간, 이동거리, 수면시간, 수면효율은 외부장치인

fitbit flex를 통해 수집된다. 단, fitbit flex와 게이트웨이가 직접 통신할 수 없기

때문에 fitbit flex는 스마트 폰의 fitbit 전용앱을 통해 fitbit api 서버에 등록되고

게이트웨이는 fitbit api 서버를 통해 이 6가지 데이터를 수집한다.

2) 수집된 데이터 확인 방법

수집된 데이터는 게이트웨이에 설치된 SDCARD 내에 sqlite db 파일로 생성된다.

실제 저장되는 sqlite db 파일은 암호화가 되므로 직접 확인이 불가능하며 스마트 앱을 통해 확인 가능하다.

다음은 저장된 데이터 확인을 위해 암호화 기능을 OFF 한 후 저장한 내용이다.

가) 심박수, 호흡수, 위치, HRV 데이터 확인 (TYPE : 0(심박수), 1(호흡수), 2(위치))

HRV 값은 일정시간 동안 취득된 심박 신호로 계산되는 값으로 지정된 시간이 1

분 마다 값이 저장된다.

나) 걸음수, 칼로리소모, 활동적시간, 이동거리, 수면시간, 수면효율 데이터 확인 itbit flex의 데이터는 게이트웨이에서 직접 수신할 수 없어 스마트앱이 설치된 스 마트폰에 fitbit flex 전용 동기화 앱을 설치 후, 동기화 앱으로 하여금 fitbit api 서버에 업로드하도록 한다. 게이트웨이는 동기화 앱이 등록한 데이터를 fitbit api 서버에서 다운로드 한다.

다운로드한 데이터는 게이트웨이 내부 DB에 저장된다.

내부 DB에 저장된 데이터는 fitbit 대시보드를 통하여 동일함을 확인할 수 있다.

2015년 3월 30일 데이터

2015년 3월 31일 데이터

2015년 4월 1일 데이터

다) 스마트앱을 통한 데이터 확인

게이트웨이 내에 저장된 데이터는 스마트앱의 데이터 관리 페이지를 통해 다음과

같이 그래프 형태로 확인할 수 있다.

바. 보안 수단의 구현 가지수 1) 삭제 없이 장기간 보관

가) 1일 기준 생성되는 데이터의 양

128byte x 24(h) x 60(m) x 60(s) x 4(종류) ≒ 42.19 MB

* 부가정보를 포함하여 레코드 당 크기 : 128 byte

* 심박수, 호흡수, 위치는 매초 저장되므로 각각 1로 계산

* HRV 값의 저장 최소 주기는 최소 1분이며, fitbit flex의 데이터는 하루에 하나

의 레코드가 생성되므로 7가지 데이터의 합을 1로 계산

나) 1년간의 데이터 유지에 필요한 저장 공간

1년간 생성되는 총 데이터의 양은 다음과 같다.

365일 x 42.19MB ≒ 15.04 GB

32GB (32,000,000,000byte) SDCARD의 실제 저장 가능 공간은 29.8 GB로 32GB SDCARD를 사용할 경우 1년 이상의 데이터를 삭제 없이 보관할 수 있다.

2) 접근에 대한 로깅 가) 로깅의 대상

게이트웨이의 관리도구인 스마트앱을 통한 로그인, 센서 검색, 설정 사항 변경 등과 같은 모든 내역은 다음과 같이 DB 상에 Log로 기록된다.

type 별 의미

0 : TH_LOG_SYSTEM 1 : TH_LOG_USER_ADD 2 : TH_LOG_USER_DEL

3 : TH_LOG_USER_LOGIN_SUCCESS 4 : TH_LOG_USER_LOGIN_FAILURE 5 : TH_LOG_SENSOR_VIEW_DATA 6 : TH_LOG_SENSOR_START_SCAN 7 : TH_LOG_SENSOR_STOP_SCAN 8 : TH_LOG_SENSOR_REG_DEVICE 9 : TH_LOG_CFG_CHANGED

나) 스마트앱을 통한 로깅 내역 확인

DB에 저장되는 로그 또한 암호화 되므로 다음과 같이 스마트앱의 시스템 로그를 통해 확인할 수 있다.

스마트앱 로그인, 로그아웃, 센서 검색 등의 임의의 조작 후, 조작 내용과 시스템 로그 상의 기록을 비교하여 ‘접근에 대한 로깅’ 여부를 확인할 수 있다.

3) 데이터 암호화

sqlite의 db 파일은 편집기로 열면 다음과 같이 데이터가 그대로 노출되는 특성이

있다.

가) 데이터 암호화 여부 확인

a. 게이트웨이에 장착된 SDCARD를 제거하여 PC에 연결한다.

b. SDCARD의 data 디렉터리 내의 임의의 날짜에서 sensor_data.dat 파일을 선택 하여 Hex Editor에서 오픈한다.

c. Hex Editor 상에 데이터가 그대로 노출되는지 확인한다.

Database는 얼굴 인식용으로 만든 Data base로 출처는 UCSD Computer Vision lab.

http://vision.ucsd.edu/content/yale-face-database 15명에 대해 11가지의 다른 조명 다른 표정을 쓴 것임. 인식율 평가의 이미지로 이를 사용함.

-

의도된 인식결과 출력 횟수의 의미는 10명의 시험자 중 2명을 등록하고 100개의 이미지를 시험하여 2명의 20개 이미지는 PASS, 다른 사람의 80개 이미지는 NOT 으로 결과를 내는 것을 의미함.

-

먼저 얼굴 이미지 등록하고

-

조명, 얼굴 각도가 다른 여러 사람의 이미지를 모니터에 보여주고 이 중 사용자만 정확히 인식해야 함

인식률에 대한 시험은 PC에 이미지를 보여주는 프로그램, Gateway에 인식 프로그

램과 인식 결과 저장 기능을 개발하여 시행하였다.

생체 신호 감지센서

스마트 앱

긴급 호출기

게이트웨이

주관기업 카메라

참여기업

제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 1. 개발 목표

- 주관기관(지투지솔루션) : 게이트웨이, 긴급호출기, 스마트 앱 개발 : - 참여기관 1(비아이에스웍스) : 생체신호 감지센서 개발 :

<그림 3-6> 시스템 구성도 2. 개발 내용 및 범위

- 주관기관 : 게이트웨이, 긴급호출기와 스마트 앱 개발 가. 게이트웨이 개발

텔레헬스 시스템은 생체 센서, 게이트웨이, 긴급호출기 그리고 이를 관리하는 앱으 로 구성된다. 특히 모든 센서 데이터는 게이트웨이에 저장되고 응급 상황 등의 정 보를 전달하기 위해 외부 통신 인터페이스를 제공한다.

<그림 3-7> 게이트웨이 시스템 구성도

기능 상세 설명

센서 data 저장 생체 감지 센서, 긴급호출기 및 긴급 호출 앱 등 각종 센서에서 나 온 data 저장

센서 관리 각종 센서를 등록하고 그 센서에 대한 사용 인증을 하며, 센서와 통신 채널 오픈을 위한 셋팅 작업

통신 기능

외부 인터넷 연결을 위한 이더넷 통신 기능

스마트폰과 통신을 위한 블루투스 또는 WiFi 통신 기능 센서들과 통신을 위한 Zigbee 통신 기능

Data 이동을 위한 USB 통신 기능 외부 망 I/F

인터넷을 통한 외부 서버와 data 공유 기능

인터넷을 통한 게이트웨이 접근에 대한 사용자 인증 기능 외부 서버에 data 제공을 위한 data 전달 기능

카메라 I/F 사용자 인식을 위한 얼굴 인식 기능

아래 표에서 게이트웨이가 제공하는 기능을 정리하였다.

(1) 저장 센서 데이터의 가짓 수

1. 센서 데이터를 10가지 이상 지원한다. (예: 심박수, 호흠수, 몸무게, 혈압, 혈 당 등)

2. 센스 정보는 다양한 경로로 즉 센서 장치로부터 Bluetooth, Zigbee, WiFi등의 무선망을 이용하여 게이트웨이에 저장되며, 스마트 웹을 통하여 사용자가 직 접 입력하는 경로까지 제공한다. 즉 M2M

스타일로 자동 저장되는 것과 스 마트 앱을 통한 수동 저장을 모두 지원한다.

3. 저장되는 정보가 유의미하도록 선정하는 것이 중요하며, 저장 정보의 구조화 와 저장 정보 독립적인 저장소 구현이 주요하다.

(2) 데이터 보안 수단 개수

1. 저장된 생체 정보는 중요한 개인정보 보호의 대상이므로 정보에 대한 보안 수단이 중요하다.

2. 데이터의 보안은 삭제 없이 장기간 보관(1년), 모든 변경 이력 관리, 데이터와 인비 데이터 분리, 접근제어리스트, 사용자에 의한 데이터 공개 수준 결정, 접 근에 대한 로깅, 데이터 암호화 등의 다양한 수단이 있다.

3. 다양한 수단 중 3가지 이상의 수단을 구현하는 것이 목표이다.

- 영상정보를 이용한 사용자 확인 기능 제공

1. radar 센서 데이터가 어느 사용자인지 인식하는 것은 주요한 개발 내용으로

7) M2M(Machine to Machine)

개발 기술의 확산에 중요한 요소이다.

2. 사용자 확인 절차는 등록된 사용자 영상 정보와 레이더 센서(생체 정보)로 익 명의 시계열화된 생체 정보와 위치 추적 정보를 별도로 분리하여 관리하며 두 정보의 매핑을 통하여 시계열화된 생체정보와 생체 위치 추적 정보가 어떤 사 용자인지 확인하는 것이다.

<그림 3-10> 영상 정보를 이용한 사용자 확인 기능

3. 매칭 방법과 매칭 정확도는 시계열화된 생체 정보와 생체 위치 추적 정보자체 가 사용자간의 무결성으로 담보되지만 등록된 사용자의 영상 정보와 영상정보 취득시 생체 정보를 동시에 등록하게 하여 레이더 센서 데이터의 주인을 인식 하는 정확도를 높인다.

2) 게이트웨이 및 긴급호출기

- 게이트웨이는 생체 신호 센서등에서 발생한 데이터를 저장하는 저장소로서 SD메 모리와 센서들과 통신하는 WiFi, ZigBee, Bluetooth 네트워크 인터페이스 그리고 외부 서비스와 연결을 위한 이더넷 인터페이스 등으로 구성된다.

- USB 호스트/디바이스 인터페이스는 저장 데이터의 백업이나 게이트웨이 소프트 웨어 관리 목적으로 사용한다.

- 게이트웨이의 긴급호출 버튼은 별도의 긴급호출기, 긴급호출 앱 등과 동일한 이 벤트를 발생하여 외부 서비스에서 이용한다.

<그림 3-11> 긴급 호출 구성도

나. 스마트 앱 개발

본 개발의 전체 구성도는 다음과 같다.

<그림 3-12> 스마트 앱 구성도 가) 스마트앱 개발 환경

스마트앱은 게이트웨이 설정, 사용자 등록, 센싱 정보 확인을 위한 도구로 게이트웨이 의 웹서버와 통신을 하는 WebView 기반의 안드로이드 앱이다.

스마트앱 개발을 위해 Android Studio 1.1.0 을 사용하였으며 Android 4.0.3 (API 레 벨 15) 이상의 환경에서 동작하도록 개발되었다.

나) 스마트앱 설계 및 구현

게이트웨이에는 별도의 LCD와 같은 출력장치가 없으므로 시스템의 관리 및 생체 정보의 확인은 스마트앱을 통하여 진행한다.

스마트앱은 안드로이드 OS 기반의 스마트폰을 대상으로 하며, 앱의 호환성을 위해 WebApp으로 작성하였다.

스마트앱의 소스는

l

게이트웨이 주소 저장을 위한 db 구현

l

WebApp 구성을 위한 HTML5WebView 구현

l

긴급호출 메시지를 받기 위한 GCM 구현

l

그외 각종 Dialog 로 구성된다.

실행 화면

TeleHealthViewer 앱을 설치하면 다음과 같은 아이콘이 추가된다.

처음 실행 시, 게이트웨이의 정보가 없으므로 'Gateway 찾기' 를 통해 게이트웨이를 검색 한다.

'Gateway 찾기' 메뉴를 선택 후, 게이트웨이 본체의 '검색' 버튼을 누르면 게이트웨이에서 발송한 메시지를 스마트앱이 받게되고 게이트웨이 검색이 완료된다. '확인'을 선택하면 아 래와 같이 게이트웨이 화면이 나타난다.

검색 결과는 스마트 폰내에 저장되며 스마트앱을 다시 실행하면 게이트웨이 목록을 확인 할 수 있다.

사용자 등록 시, 기본적인 아이디와 암호만 입력하며, 그 외의 정보는 등록한 정보로 로그 인 후, 정보 수정 메뉴를 통해 처리한다.

정보수정 페이지에 진입하면 자동으로 카메라 입력 이미지를 받아 스마트앱 화면에 출력한다. 사용자는 미리보기 이미지를 확인 후, 등록하고자 하는 위치 (스마트앱 페이지 중간 부분의 작은 이미지)를 터치하면 사용자 등록 명령을 게이트웨이로 전송하여 사용자 이미지 등록을 진행한다.

Zigbee 기반의 센서는 Scan 명령을 통해 등록한다. 등록된 장치가 Radar 에 장착된 Zigbee Slave일 경우 설치 위치 정보를 입력할 수 있다. 입력된 위치 정보는 Zigbee Master를 통해 Zigbee Slave로 전달되어 위치 계산이 사용된다.

센서를 통해 수집된 데이터는 데이터 관리 페이지를 통해서 확인할 수 있다.

그 외 게이트웨이 설정을 위한 환경 설정 페이지와 시스템 로그 확인을 위한 페이지를 제 공한다.

다. Zigbee Master/Slave 및 긴급 호출기 개발

Zigbee Master/Slave/긴급 호출기는 기본적으로 동일한 소스코드를 기반으로 하 며 각각의 기능에 따라 일부 소스코드의 수정으로 개발되었다.

기본적인 보드 초기화 및 설정은 main() 함수에서 처리된다.

타이머 설정 및 인터럽트 설정 후, main() 함수는 Zigbee Packet를 읽고 Gateway 및 Radar와의 통신을 위한 Serial 데이터를 읽어 드리는 작업을 처리한다.

Zigbee Master 와 Slave는 데이터 처리 흐름의 차이가 있을 뿐 유사한 형태이고 긴급 호출기의 경우, 긴급 상황 보고를 위한 버튼이 있어 이를 처리하기 위한 GPIO Polling을 처리한다.

F/W 다운로드에는 Tera Term 을 사용한다.

라. 게이트웨이 소프트웨어 개발

게이트웨이는 크게 3가지의 모드로 동작한다.

가. 레이더 센서 및 긴급 호출기를 검색하기 위한 scan_sensor 모드 나. 사용자 등록을 위해 얼굴인식 모듈과 통신이 필요한 reg_user 모드

다. 시스템 설치가 완료된 후에, 사용자의 생체 정보를 센싱하는 poll_sensor 모드 위의 3가지 모드는 시스템 구성도의 Gateway Manager(gatewayMain) 에서 관장하며 상태도는 다음과 같다.

scan_sensor 모드

게이트웨이가 설치된 장소 내의 Zigbee 기반의 센서 장치를 검색하는 모드로 생체신호 감지 Radar 및 긴급호출기를 검색한다.

게이트웨이에 연결된 Zigbee Master 모듈은 특정 프로토콜을 브로드케스트하여 신호 에 반응하는 센서 장치를 추가한다. 센서 스캔 과정의 대략적인 흐름은 다음과 같다.

센서 스캔 시, 송수신되는 명령은 다음과 같다.

reg_user 모드

사용자 등록은 스마트앱과 게이트웨이에 장착된 얼굴인식 모듈 카메라를 통해 이루어 진다.

카메라 영상의 스트리밍은 불가능한 상황이므로, reg_user 모드 진입 시, 게이트웨이는 얼굴인식 모듈로 부터 획득한 사용자 이미지를 특정 위치에 업데이트하고 스마트앱은 업데이트 된 이미지를 주기적으로 갱신하는 방식으로 처리한다.

poll_sensor 모드

센서 장치 검색 및 사용자 등록이 완료되면, 게이트웨이는 생체 신호를 수집하기 위해,

생체 레이더 센서로 데이터 요청 명령을 전송한다. RF 특성 상 여러 장치에서 동시에 데이터가 올 경우, 신호 충돌이 발생하므로 게이트웨이는 순차적으로 등록된 센서 장 치에 데이터를 요청한다.

poll_sensor 모드에서의 제어 흐름은 다음과 같다.

2) 데이터 저장

게이트웨이에서는 SQLite를 이용하여 시스템 정보, 사용자 정보, 센서 장치 정보를 관 리하며 년/월로 구분하여 수집한 센서 데이터를 저장한다.

system 테이블의 구조는 다음과 같다. 게이트웨이의 이름과 긴급호출을 위한 Google Cloud Message 사용을 위한 정보가 포함된다.

user 테이블은 다음과 같다. 기본적으로 이름과 로그인을 위한 암호가 포함되며 GCM 수신을 위한 reg_id가 있다. 또한, fitbit 연동을 위한 key 정보가 있다.

sensor_device 테이블은 다음과 같다. 이 테이블에 등록되는 장치는 Zigbee 통신을 위 한 Slave 장치로써, 생체 신호 수집을 위한 레이더 장치의 Zigbee Slave 장치와 긴급 호출기의 Zigbee Slave 장치로 구분된다.

생체 신호 감지 Radar에 장착되는 Zigbee Slave의 경우, 위치 정보를 필요로하므로 location (X, Y, Z)에 대한 정보를 사용한다.

external_server 테이블은 다음과 같다. 수집된 데이터를 받을 외부 서버의 정보를 저 장하는 테이블로 서버의 ID, 서버 주소 등이 포함된다. 이 부분은 추후 실제 서비스를 위해 추가 개발이 필요하다.

sensor_data 테이블은 다음과 같다. 사용자 ID, 센서 장치의 ID, 데이터 그리고 수집된 시간이 저장된다. 이 테이블에 저장되는 데이터는 생체 신호 감지 Radar 장치로 부터 수신된 데이터가 저장된다.

Fitbit Flex로 부터 수신되는 데이터는 다음의 fitbit_data 테이블에 저장된다.

마. 참여기관 1 : 생체신호 감지센서 개발

1) 목적과 개발 범위

생체신호 감지 센서 개발의 목적은 “UWB Radar를 이용해 호흡수, 심박수와 같 은 생체 신호와 대상자의 위치와 움직임을 실시간으로 감지하여 응급 상황과 수면 상황을 판단하는 것”이다.

이런 목적을 위한 생체신호 감지 센서의 개발은 센서 하드웨어 개발과 그 하드웨 어에서 작동하는 소프트웨어 개발이 필수적이다.

우선 하드웨어 개발은 UWB Radar와 신호처리를 위한 DSP가 탑재된 보드와 레 이더 안테나 개발이 필요하다. 소프트웨어 개발에는 DSP에 거리와 생체 신호 감 지 신호처리를 담당하는 소프트웨어 개발과 Gateway에서 여러개의 거리 정보로 부터 위치를 검출하는 소프트웨어가 필요하다.

2) 하드웨어 개발

(1) 생체 신호 감지 센서 전체 구성도

센서의 하드웨어는 아래 블록다이어그램과 같이 RF 보드와 DSP 보드 두가지로 구 성된다. 이 두 보드간의 인터페이스는 SPI로 연결되었으며 DSP보드에서 RF 보드로 DC 5V를 공급한다.

RF 보드에서는 UWB Radar의 신호를 생성하고 반사된 신호를 수신하여 디지털

신호로 변환한다. DSP 보드에서는 SPI 인터페이스를 통하여 이 디지털 신호를 획

득하고 이 신호를 기반으로 신호처리를 수행하여 움직이는 물체의 위치와 생체신

호를 감지한다.

그림 63 UWB Radar 하드웨어 블록다이어그램

전체 센서의 하드웨어 모습은 아래 그림과 같다.

그림 64 UWB Radar 보드

요소 기능

TCC7920S DSP로써 RF 보드에서 레이더 신호를 취득하여 여러 가지 신호 처리를 수행

Zigbee DSP에서 신호 처리한 결과(거리 및 생체 정보)를 Gateway에 전달

UART 여러 가지 로그 정보를 PC에서 표시 USB DSP의 소프트웨어를 PC에서 업데이트 (2) DSP 보드

DSP 보드는 DSP와 통신 모듈, 메모리, 그리고 전원 관련된 요소들로 구성된다.

DSP보드에서는 텔레칩스사의 TCC7920으로 ARM925E-J-E-S가 적용되어있으며 RF 보드와의 통신을 위한 SPI와 Zigbee 통신을 위한 UART 인터페이스, Firmware Update를 위한 USB 인터페이스를 사용하였다.

그림 65 UWB Radar DSP 보드

아래 표에서 Processor 보드에 사용되는 주요 구성 요소들에 대한 설명을 하였다.

(3) RF 보드

RF보드에서는 UWB Radar의 변복조 및 Baseband를 지원하는 Novelda사의 NVA6201을 사용하였으며 RF Line에는 5 [GHz] 이하의 신호를 제거하기위한 인덕 터와 캐패시터로 구성된 HPF 가 적용되었다. 그리고 7 [GHz] ~ 10 [GHz] SWR 2:1이하의 안테나를 송수신 모두 사용하였다. 또한 수신감도를 개선시키기 위해 HITTITE사의 HMC902LC LNA가 적용되었다.

그림 66 송신 과정 및 수신 과정

Front End 보드의 실물 사진은 아래 그림과 같다.

그림 67 UWB Radar RF보드

l High Pass Filter

High Pass Filter는 구성하기 쉬운 Pi형 형태로 설계하였으며 Capacitor와 Inductor

로 구성되었으며 그림5와 같이 5 [GHz] 이상의 신호는 통과시키며 신호 손실은 최

소화 하였다.

아래 그림은 High Pass Filter에 대한 도면이다.

C103 0.5pF(C1005)

L8 1nH(L1005)

L9 1nH(L1005)

그림 68 Pi-형 High Pass Filter

이 Filter의 응답은 아래 도표와 같다.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

Magnitude (decibels)

Freq [GHz]

Z0 = 50

S₁₁ S₁₂

그림 69 High Pass Filter S-parameter

(4) 레이더 안테나

레이더 안테나는 RF 보드에서 생성한 송신 신호를 외부로 전달하고 외부의 신호를 수신하여 RF 보드에 전달한다.

이 안테나의 전체적인 스펙은 아래와 같다.

l 안테나 센터 주파수 : 8.2 GHz l 안테나 크기 : 35x35x10mm l 안테나 이득 : 7 dbi

l 안테나 소재 : FR-4 양면기판

l 기타 : 지향성 개선을 위해 안테나 뒷면에 Cavity 사용

개발된 안테나의 실물은 아래 사진과 같다.

그림 70 UWB Radar 안테나

이 안테나를 네트워크 어널라이져로 분석한 경우, 아래 그림과 같은 모습을 보인 다. 그림처럼 7 [GHz] ~ 10 [GHz]에서 SWR

２：１이하로 만족하였다.

그림 71 UWB Radar 안테나 네트워크 어날라이저 측정 Data 8) SWR(Standing Wave Ratio)는 신호원 및 부하 양자간의 임피던스 정합 정도의 관계를 측정

또 이 안테나에 대해 전 방향에 대해 이득을 시뮬레이션하였다. 아래 그림과 같이 방향성에 대해 ７[DBi

] 이상을 만족하였다.

그림 72 UWB 안테나 ZX Plane Pattern 측정값

9) DBI는 무선 신호의 강도를 표시하는 단위로 숫자가 클수록 출력이 세다는 뜻

그림 73 UWB 안테나 ZY Plane Pattern 측정값

(4) 기구

기구는 천장에 설치가 가능하도록 설계하였다. 전체적으로 원모양으로 제작하였으 며 Bottom부에 천장에 설치가 가능하게 나사 홈을 두어 고정시킬 수 있다. 그리고 전원 연결을 위해 DC5V 파워잭, 전원 제어를 위해 전원스위치, 추후 소프트웨어 업데이트를 위해 USB스위치로 구성되어 있다.

그림 74 UWB Radar 기구 TOP

그림 75 UWB Radar 기구 Bottom

그림 76 UWB Radar 기구 외부 Port

3) 소프트웨어 (1) 전체 구조

그림 77 전체 SW 구성

생체신호 감지센서를 위한 소프트웨어는 센서 SW와 G/W(Gateway) SW로 구성된 다. Gateway SW가 필요한 이유는 하나의 센서로는 2차원 공간의 위치를 구할 수 없고 또한 HRV

는 1분 정도의 심박수를 모아 계산해야 하기 때문이다.

(2) Gateway 내 소프트웨어

센서를 위한 Gateway 소프트웨어는 3가지 기능을 한다. 하나는 2개 이상의 센서로 부터의 거리 정보를 이용해 사용자의 2차원 위치를 측정하는 것이고 두 번째는 거 리, 호흡수, 심박수를 저장한다. 마지막으로 심박수로부터 HRV를 계산한다.

1. 위치 측정 l 전체 구성

Gateway는 각 센서에서 취득한 거리 정보를 사용해 움직이는 물체의 위치를 계산 하고 이동 경로를 추적하는 기능을 수행한다.

아래 그림은 Gateway에서 위치 측정을 위한 소프트웨어 구성이다.

10) HRV(Heart Rate Variability)는 심박 신호간의 간격에 대한 편차로 측정