STEAM R&E 연구결과보고서
(사물인터넷 기반(IoT) 기술을 활용한 스마트 링거액 주입 계측 알림 장치 개발)
2016. 11. 30.
군산제일고등학교
과 제 명 사물인터넷 기반(IoT) 기술을 활용한 스마트 링거액 주입 계측 알림 장치 개발
연구목표
본 연구에서는 병원에서 환자에게 링거액을 주입할 경우 발생할 수 있는 여러 문제점을 파악하고, 그 중에 링거액의 정상적인 주입 여부, 링거 교환 시간 알림 기능과 같이 스마트 링거액 중량 계측 및 알림 기능을 포함한 장치를 아두이노 기반의 임베디드 시스템을 통해 개발한다. 또한 스마트 사물인터넷 기술을 적용하기 위하여 아두이노 및 앱인벤터를 활용하여 병원 내에 사용하는 모든 링거액 주입 장치의 관리 기능을 부여하고 관련 정보를 병원 관리 시스템과 연동하여 간호사들이 병원 데스크에서 링거액 투입의 정상 동작 상태를 확인하도록 돕고, 환자와 보호자들의 심적 부담을 줄일 수 있는 스마트 링거 주사액 주입 관리기기 개발을 목표로 한다.
연구내용
- 사물인터넷 기술의 이해
- 아두이노 앱인벤터 프로그램의 이해 - 하중 측정 기구 설계 툴의 이해
- 아두이노를 이용한 사물인터넷 알림 장치 개발 - 링거 주사액의 투입을 통계적 해석 데이터로 실험 - 하중 측정을 위한 기구 시스템 설계 및 제작 - 주사 속도와 하중의 관계 해석 데이터 실험
- 사물인터넷 기반 블루트스 무선데이터 통신 기능 장치 개발 - 사물인터넷 기반 WIFI 무선데이터 통신 기능 장치 개발 - 링거 무게를 컴퓨터 모니터로 나타내는 프로그램 개발 - 남은 시간을 핸드폰으로 나타내게 하는 프로그램 개발 - 관련 아두이노 프로그램 개발
- 시제품 제작 및 동작 성능 테스트
연구성과
- 사물인터넷을 활용한 스마트 링거 주사액 투입 장치의 개발 - 지적 재산권 출원 1건 이상
- 기구 설계, 임베디드 시스템, 인터넷 통신 프로그램 개발 능력 확보 - 병원의 사물 인터넷 기능 구현
- 간호사 및 보호자의 환자 관리 부담의 경감 - 사업화 모델의 발굴 및 진행
주요어 (Key words)
< 연구 결과요약 >
< 연구 결과보고서 >
1. 개요
□ 연구 동기 및 목적
○ 우리나라 사회의 노인 인구의 증가로 인해 병원 및 요양 병원의 환자를 관리하고 치료하기 위한 기반 기술의 개발이 절실히 요청되는 상황이다. 현재 국내에서는 대부분 의 환자를 돌보기 위하여 저녁 또는 야간 시간에 보호자가 병원에 상주하면서 간이침대 에서 생활하며 링거액의 정상 투입 여부 확인, 생리적인 욕구 해소 지원 등을 하고 있는 실정이다.
○ 특히, 대부분 병원에 입원하였을 경우 대부분의 환자가 사용하는 링거액은 주간에는 주변의 사람들이 봐 줄 수 있는 상황이나 야간 시간에는 정상적으로 주사액이 투입이 되고 있는지 항상 확인해야 함으로 보호자도 깊이 잠들 수 없고 수시로 일어나서 체크해야 하는 불편함이 있다. 또한, 간호사들도 수시로 환자를 방문하여 정상적으로 주사액이 주입되고 있는지 여부와 주사액 교체 시간를 확인해야 하며, 이런 확인을 소홀히 할 경우 심각한 환자의 건강상 영향을 미치는 중요한 문제가 발생하여 간호사나 보호자에게 주사액에 대한 관리는 심각한 정신적 스트레스를 주는 문제이기도 하다.
○ 또한, 적은 수의 간호사들이 야간시간에 병실을 관리하는 것은 많은 업무상 스트레스를 유발하며 관리 포인트를 최소화하기 위해 사물인터넷 기반의 스마트 병원 관리 시스템 의 개발이 요청되고 있다.
○ 사물인터넷 기술은 최근에 부각된 기술로써 스마트폰, PC를 넘어 자동차, 냉장고, 세탁기, 시계 등 모든 사물이 인터넷에 연결되는 것을 사물인터넷(Internet of Things)이 라고 한다. 이 기술을 이용하면 각종 기기에 통신, 센서 기능을 장착해 스스로 데이터를 주고 받고 이를 처리해 자동으로 구동하는 것이 가능해진다. 교통상황, 주변 상황을 실시간으로 확인해 무인 주행이 가능한 자동차나 집 밖에서 스마트폰으로 조정할 수 있는 가전제품이 대표적이다. 이미 삼성전자, LG전자, 구글, 아우디 등 세계 각 분야의 기업들은 사물인터넷 서비스 개발·상용화에 나섰다. 본 연구를 통해서 사물인터넷 요소 기술을 학습하고 스마트 병원을 구현하기 위해 링거액 계측 시스템을 구현할 필요성이 있다.
○ 따라서 본 연구에서는 사물인터넷 기반 기술을 사용한 새로운 형태의 링거액 주사량 계측 시스템을 개발하고 고교 과정에서 배운 수학적 통계, 물리학에서 배우는 힘에 대한 원리 및 전기전자적인 기초 지식을 활용하여 병원에서 사용 가능한 스마트 링거액 계측 장치를 개발함으로 보호자와 간호사들의 정신적인 스트레스를 해소하고자 한다.
□ 연구범위
○ 사물인터넷을 적용 하거나 혹은 응용할 수 있는 산업분야는 농림수산업, 전력/가스/수 도, 건설, 도매소업/음식업/숙박업/운수, 금융 및 보험/부동산 및 사업서비스, 공공행정/
국방, 교육/보건, 사회 및 기타서비스로 분류되고 있다. 아울러 사물인터넷 활ㄹ성화와 직접 관련된 산업으로는 정보통신산업, IOT산업 분야라 할 수 있다.
○ 사물인터넷 주요 서비스 영역으로는 에너지/환경, 헬스케어, 라이프스타일. 보안/에너 지, 스마트빌딩, 스마트 홈, 스마트생산, 교통으로 분류할 수 있다.
○ 현재 사물인터넷 산업응용 및 융합관련 연구들은 주로 산업의 실제 사례나 비즈니스적 인관점보다는 해당 산업분야에 사물인터넷 기술을 제안하는 수준이다. 사물인터넷이 사회전반에 뿌리내리기 위해서는 산업분야에서 많은 응용 아이디어의 도출이 필요하 다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 이론적 배경
fig 1. 사물인터넷(IOT) 적용기술 분야
○ 선행 연구
- 정보 기술 연구 및 자문회사 가트너에 따르면 2009년까지 사물 인터넷 기술을 사용하는 사물의 개수는 9억개였으나 2020년까지 이 수가 260억 개에 이를 것으로 예상된다.
이와 같이 많은 사물이 연결되면 인터넷을 통해 방대한 데이터가 모이게 되는데, 이렇 게 모인 데이터는 기존 기술로 분석하기 힘들 정도로 방대해진다. 이것을 빅 데이터라 고 부른다. 따라서 빅 데이터를 분석하는 효율적인 알고리즘을 개발하는 기술의 필요성 이 사물 인터넷의 등장에 따라 함께 대두되고 있다. (자료 : 위키피이아 백과사전) - 사물 인터넷은 다양한 산업과의 융복합을 통해 공공안전, 유통 등을 중심으로 서비스
시장 확대되고 있으며 교통, 건물, 의료분야 등 원격관리 서비스 등을 중심으로 확장될 전망이다. 또한 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 주목받고 있는 산업 분야로써 상용화를 위해 지속적인 연구가 진행 중 이다.
- 국내의 대표적인 사물인터넷 사례로는 “음식물 쓰레기 종량제 시스템”이 상용화되 어 시스템 도입으로 인해 쓰레기 배출량을 줄이는 효과를 발생 시켰으며 전국 40여 지자체에서 구축되어 활용되고 있다. (자료 : 정보통신 기술 진흥센터 국내외 공공부문 에서의 IoT 적용사례)
□ 연구주제의 선정
1) 사전 과제 방향성 검토 : 담당지도 선생님과 학생들이 사전 논의를 통하여 몇 개의 연구 주제를 선정하였고 실현 가능성, 확보된 기술에 대한 구현성, 지도교사의 과제 전개 가능성, 경제성 등을 두고 평가하여 구현성과 창의성에 중점을 두고 연구 과제를 선정
2) 아이디어 검토 : 시각 장애인을 위한 보조 지팡이, 온도 조절 가능한 스마트 옷, 장애인을 돕기 위한 다양한 보조 장치 등이 논의되었으나 학생으로서 구현이 가능한 실현성, 경제성등을 검토한 결과 적절한 주제의 선정이 필요할 것으로 판단됨.
3) 전문가의 자문 : 군산대학교 김영철 교수의 도움으로 회의를 통해 발굴된 아이디어를 검토하였고, 연구개발의 기본적인 방향으로는 아두이노 임베디드 시스템을 활용하 고 인터넷 상의 구현을 위해 한 달간 교육 방문하는 컴퓨터 공학을 전공한 교생 선생님의 도움을 통해 구현하기로 함.
4) 아이디어 도출: 사물인터넷에 대한 컨셉 도입을 김영철 교수와 논의하였고, 사람을 돕기 위한 장치의 개발을 목표로 현재 병원에서 어려움을 겪고 있는 애로사항인 환자를 야간에 돌볼 때 수면 부족 등과 같이 어려운 일 중의 하나인 링거 주사액 계측 시스템 개발 아이디어를 도출함.
5) 아이디어 구현을 위한 요소 기술 분석 : 필요한 요소기술을 논의한 결과, 첫째, 링거액 하중을 측정하기 위한 계측 기구 개발.
둘째, 아두이노 임베디드 시스템을 이용한 계측 전자 회로 시스템 설계 및 개발.
셋째, 무선통신 회로 개발과 앱인벤터 활용한 알림 시스템 개발.
넷째, 사물인터넷의 구성 요소 및 기술 요건 분석.
마지막으로 3D 프린터를 이용한 기구물의 설계 및 제작 등을 진행하기로 함.
6) 차별성 : 실용화를 위해서는 계측 시스템의 정밀성, 시제품의 경제성을 최우선 항목 으로 선정하여 저렴하고 안정된 제품을 개발하는 것을 목표로 함.
□ 연구 방법
○ 링거액 하중을 측정하기 위한 계측 기구부 개발
- 링거액의 중량 감소를 측정하기 위해 로드셀이 부착된 기구 장치 및 계측 장치를 개발함.
○ 아두이노 임베디드 시스템을 이용한 계측 시스템 설계 및 개발 - 하중 센서를 활용한 아두이노 임베디드 신호처리 시스템 구축 - LCD 모듈을 이용한 계측 데이터 표시 장치 제작
- 블루투스 통신을 이용한 무선 데이터 전송 장치 제작
- 아두이노 구동용 프로그램 개발
○ 앱인벤터 활용한 보호자 및 간호사 알림 시스템 개발 - 앱인벤터를 기반으로 하여 데이터 전송 방법 구축
- 사용자 GUI(Graphic User Interfaec) 인터페이스 시스템 메뉴 구현 - 스마트폰을 이용한 데이터 전송 장치 구현
○ 시제품 실증 실험을 통한 측정 데이터 측정 및 검증 작업 - 실험적 측정을 통해 링거액 주입 시간과 투입량의 관계 분석 - 성능 평가 및 검증 작업
□ 연구 활동 및 과정
○ 아두이노와 ESP8266 모듈을 이용한 데이터측정 장치 개발
1) 아두이노와 ESP8266 배선도
fig 2. 아두이노와 ESP8266 배선도
2) 아두이노와 ESP8266 배선
fig 3. 배선도 실제 사진
3) 링겔 무게측정을 위한 아두이노 소스 개발
fig 4. 링겔 측정 프로그램
4) 데이터 전송 순서
fig 5. 데이터 전송 순서
○ 링겔 계측 외형 설계 과정
1) 최초 모델 : 받침형 디자인으로 고안하였으나 이후 호환성의 문제발생.
fig 6. 초기 모델링
2) 최종 모델 : 걸이형 디자인으로 변경 하여 경제성을 높이고 호환성 문제를 해결.
fig 7. 최종 모델링
3) 설계도 : (A)기존의 링거걸이의 단점을 보완한 변형링거걸이
(B)아크릴판을 이용한 외형 제작 이후 내부에 아두이노 우노 및 하드웨어 시스템 배치
fig 8. 설계도
4) 링겔걸이 부분에 무게 센서를 부착 하여 링겔 무게 측정 장치 고안
fig 9. 링겔 걸이에 무게 센서 부착
4) 링겔대에 아크릴 상자를 부착 하여 아두이노 우노 및 주요 부품 보관
fig 10. 링겔 걸이에 아크릴 상자 부착
측정사진 측정 그래프
□ 제품 제작 후 실험 과정
○ 링겔 계측 실험
- 본 테스트 과정에서 그래프들의 진동현상이 발생 되었으나 실험도중 발생된 흔들림 현상에 의한 것으로 판단되어 본 테스트는 일정 시간 경과 된 후의 수액무게 변화측정 이 정상적으로 실행되었음을 알 수 있다.
○ 앱인벤터를 통한 어플리케이션 제작.
fig 11. 앱인벤터 제작 화면
1) 앱인벤터로 제작된 어플리케이션의 QR코드 scan 후 핸드폰으로 확인.
fig 12. 어플리케이션 구동 화면
2) 도메인을 통한 시스템 접속여부 확인.
fig 13. 도메인을 통한 시스템 접속 화면
3) 앱 어플리케이션 구동 테스트.
fig 14. 실제 구동 화면
○ 링거액 유속 비교실험
fig 15. 유속 비교 그래프
- 그래프를 분석 결과 20 gtts/min의 주입속도를 나타내었고 최대 6g의 오차가 발생되었 다. (*gtts/min:1분동안 링거팩에서 떨어지는 수액 방울 수)
- 예상한 유량값은 실제 유량값과 약 2.7g의 오차가 발생되었다.
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
사물인터넷 기반 기술을 사용한 새로운 형태의 링거액 주사량 계측 시스템을 개발하였으며 간호사실 컴퓨터에서 확인을 할 수 있고 무선을 이용한 핸드폰으로 쉽게 병실이나 아닌 병원 밖에서 또는 멀리 떨어져 있는 가정에서 환자의 보호자가 링겔 주입 상태의 확인이 가능한 시스템이다
○ 링거액 주입 시간 측정 실험 결과
(측정 시작 시간) - (1시간 후 예상시간) = 1.1 시간 = 약 1시간 6분
6분의 오차가 생겼으나 초당 떨어지는 수액의 방울 수를 정확하게 조절 할 경우 남은시간을 좀 더 정확하게 측정 할 수 있을 것으로 기대된다.
fig 17. 측정 데이터 및 남은시간 그래프
fig 18. 측정 데이터 홈페이지 그래프 및 핸드폰 앱 실행 화면
- 약 2시간 동안 20 gtts/min의 속도로 실험하여 2시간이 지난 후 아두이노에서 흐름을 감지했는지 분석하였다.
- 시간이 지날수록 오차가 줄어드는 것을 확인하였다.
□ 시사점
○ 빠르게 성장하는 IoT 산업 주도권을 선점하기 위해서는 정책적 인식을 제고하고 지원방 안을 마련해야 한다. 따라서 IoT 관련 기술 개발 및 확보를 촉진하기 위해 정책적인 투자와 지원이 확대되어야 하고 지속적으로 연구 및 개발이 되어야한다. 또한 IoT 기술 발전에 따른 사회적 부작용을 최소화하기 위해 대응책을 마련할 필요성이 있다.
4. 기대 효과 및 사후 활용계획
○ 대학과 매년 지속적인 연구주제 발굴 및 진행을 통해 학생들의 과학적 마인드 고취 및 창의적인 연구 역량의 확보
○ 실시간으로 유 무선을 통한 환자의 링겔 주입 상태를 확인할 수 있다.
○ 시스템 개발을 위하여 수학적 통계, 물리학에서 배우는 힘에 대한 원리 및 전기전자적 인 기초 지식을 활용 하였으며 병원과 가정에서 사용 가능한 스마트 링거액 계측 장치를 개발함으로 보호자와 간호사들의 정신적인 스트레스가 해소 될 것으로 기대 한다.
○ 본 시스템을 이용하여 독거노인에 대한 움직임에 관한 연구 즉 독거노인 돌봄 시스템을 개발 한다면 독거 노인이 많아지고 이를 돌볼 수 있는 여건이 되지 않는 사회의 시스템 으로부터 많은 노인들에게 혜텍이 돌아갈 것으로 기대 된다.
○ 무선 시스템을 적용 할 경우 관할 사무소나 가정에서 독거 노인의 움직임을 확인하고 정보를 컴퓨터나 핸드폰으로 보여 줌으로써 고독사와 같은 불상사를 막는데 큰 역할을 할 것으로 기대 된다.
5. 참고문헌
○ 사물인터넷 : (출처 : 다음 인터넷 사진 검색 자료 중 http://middleclass.tistory.com/89)
○ 아두이노 : [네이버 지식백과] 아두이노 [Arduino] (두산백과) ○ 아두이노의 첫걸음, 성안당
○ Jacob Fraden, Springer(2010) Handbook of modern sensors ○ 고세관, 쉽게 따라하는 아두이노 배우기, 정보문화사
○ 심주은 외3, 꿀잼 앱 인벤터, 카오스북
○ 조도현외 4, 스마트폰, 블루투스, 이더넷, wifi, 그리고 아두이노, 복두 ○ 최재규외 1, 아두이노, 상상을 현실로 만드는 프로젝트, 영진닷컴
