논문 2011-3-10
스마트폰을 이용한 정보가전기기 제어시스템 구현
Implementation of Appliance Control System Using Smart Phone
전병찬*, 최규석**, 이상정***
Byung-Chan Jeon, Gyoo-Seok Choi, Sang-Joung Lee
요 약 최근의
IT
산업에서 스마트폰 보급이 나날이 증가함으로써,
스마트폰을 이용하여 홈 네트워크 환경에 정보가 전기기인 디지털TV,
인터넷 냉장고, DVD,
디지털 비디오,
통신기기 등 지능형 단말을 융합한 차세대 네트워크 가전 제품을 지칭하는 인터넷 가전으로 발전하고 있는 추세이다.
본 논문에서는 스마트폰(
안드로이드)
을 이용하여 댁내 정 보가전기기 제어시스템을 설계하고 구현하였다.
또한,
누구나 쉽게 접근할 수 있는 스마트폰을 이용하여 언제 어디서 든지 정보가전기기를 제어하기 위한 인터페이스를 설계 및 구현하고,
이를 통해 댁내의 정보가전기기를 제어하고 모니 터링 한다.
Abstract With the rapid increase of recent smart phone diffusion, the convergences of home network environments and intelligent home appliances such as digital TV, internet refrigerator, DVD, digital video, communication appliance using a smart phone are highly focussed and become the recent trends in IT industry. In this paper, we design and implement home appliance control system based on the smart phone(Android) network environments. Through several experiments using Android smart phone, we confirmed that the proposed system can control and monitor indoor home appliances conveniently anywhere and anytime from outdoor.
Key Words : 스마트폰, 정보가전기기, 블루투스, 홈네트워크
*정회원, 청운대학교 방송영상학과
**종신회원, 청운대학교 컴퓨터학과 (교신저자)
***정회원, 순천향대학교 컴퓨터학부 접수일자 2011.3.16, 수정일자 2011.5.8 게재확정일자 2011.6.10
Ⅰ. 서 론
최근의 IT 산업은 국민경제의 핵심 성장엔진으로 부 상함에 따라 장기적으로 세계산업 성장동력으로 전망되 고 있다. IT 산업 중에서도 홈 네트워크와 유비쿼터스 시 장의 잠재력은 IT산업 전체에서 큰 부분을 차지하고 있 다. 무선 네트워크 및 광대역의 3세대(3G)출현으로 무선 장치들은 풍부한 컨텐츠를 지니게 되어 컨텐츠가 풍부한 그래픽, 비디오, 기타 다른 정보를 2Mbps까지의 속도로 전송하게 된다. 현재 블루투스(Bluetooth)같은 기술은 여
러 유형의 장치들을 연결할 수 있는 짧은 범위의 무선연 결을 제공하여 다양한 장치 간의 끊임없는 상호작용이 가능하게 한다. 이러한 모바일 환경에서 풍부한 컨텐츠 를 제공하기 위해 전 세계적으로 개인용 기술의 빠른 침 투와 수용, 네트워크 기능과 용량이 급속도로 확장되고
있다.
[1][2]3]현재의 가전시장은 이러한 네트워크 인프라를
기반으로 유무선 네트워크, 전력선, 위성과 연결된 홈 네 트워크를 이용하여 데이터 송수신이 가능한 디지털 TV, 인터넷 냉장고, DVD, 디지털 비디오, 컴퓨터, 통신기기 등 지능형 단말을 융합한 차세대 네트워크 가전제품을 지칭하는 인터넷 정보가전으로 발전하고 있으며, 특히 미래형 ‘U-홈’을 구현하는 홈 네트워크 시장이 발전하고 있다.
[4][5]최근 스마트폰(아이폰, 안드로이드 폰 등) 단말기 시
장이 급속히 성장하고 있는 가운데 이들 스마트폰 단말 기를 이용하여 정보가전기기들을 원격에서 제어하고자 하는 요구가 대두되고 있다. 스마트폰을 이용하여 원격 에서 정보가전기기들을 제어하는 것은 유비쿼터스 컴퓨 팅 환경으로 도약하는데 한걸음 다가가게 된다. 본 논문 에서는 누구나 쉽게 접근할 수 있는 스마트폰(안드로이 드)을 이용하여 언제 어디서든지 정보가전기기를 제어하 기 위한 인터페이스를 설계 및 구현하고, 댁내의 실제 정 보가전기기를 제어하고 모니터링 한 결과에 대해 기술한 다.
Ⅱ. 이론적 배경
본 장에서는 스마트폰(안드로이드 폰) 와 홈 네트워크 개념에 대해 살펴본다.
1. 안드로이드
애플의 아이폰(iPhone)출시를 계기로 스마트폰 봄이 일어났으며, 이러한 스마트폰 붐과 동시에 아이폰 OS x 의 아성에 반 애플진영의 반격이 시작되었고, 그 중심에 는 구글의 안드로이드 OS가 있다. 이에 따라, 삼성전자, LG전자등 국내 휴대폰업체들은 안드로이드를 자사 휴대 폰의 주력 OS로 사용하고 있다. 구글에서 2007년 11월에 발표한 안드로이드 플랫폼은 모바일 운영체제로 운영체 제, 미들웨어 및 주요 응용프로그램을 포함하는 모바일 기기용 소프트웨어 모음을 의미한다. 안드로이드는 컴포 넌트의 재사용과 재배치가 가능한 응용 프레임워크와 모 바일 디바이스에 최적화 된 Dalvik 가상머신, Webkit 엔 진 기반의 통합 브라우저, 구조화된 데이터 스토리지를 위한 SQLite를 가지고 있다. 디바이스 에뮬레이터, 디버 깅 툴, 메모리 및 퍼포먼스 프로파일링 그리고 이클립스 IDE를 위한 플러그인을 포함하는 풍부한 개발환경을 지 원한다. 모바일 플랫폼으로서의 안드로이드 플랫폼의 장 점은 자기가 개발한 응용을 안드로이드 마켓을 이용해 자유롭게 올리고 다른 사람이 개발한 응용을 받을 수 있 는 자체 모바일 마켓 플레이스를 운영하고 있다는 점이 다. 안드로이드 마켓을 통해 개발자가 안드로이드 응용 을 개발해 자유롭게 올릴 수 있으며 안드로이드 마켓을 통해 사람들에게 무료나 유료로 응용을 다운로드 할 수 가 있다. 최근 삼성전자의 갤럭시 시리즈의 폭발적인 인
기로 안드로이드 폰이 현재 국내 대표 스마트폰으로 자 리를 잡고 있으며, 국내 스마트폰 OS 시장에서 안드로이 드 OS 점유율이 1위를 마크하고 있다.
기존의 홈 네트워크 어플리케이션은 WI-PI나 Windows Mobile 어플리케이션으로 개발 되었다. 기존의 WI-PI 어플리케이션은 화면 자체의 해상도도 작고 입력 방식도 키패드를 통해 이루어지기 때문에 쓰기에 불편하 다. 플랫폼 자체의 제약 사항이 많아 스마트폰에 맞는 어 플리케이션을 개발하는데 제약이 따른다. 또한 인터넷에 연결하기 위해서는 오로지 통신사에서 제공하는 무선 인 터넷망을 사용하여야 한다. PDA기반의 Windows Mobile은 단말기 성능에 비해 OS 자체의 성능이 떨어지 고 플랫폼 자체가 폐쇄적이기 때문에 안드로이드 플랫폼 에 비해 응용성이 떨어진다. 다음의 표 1은 기존의 플랫 폼과 안드로이드 플랫폼과의 차이점을 설명하고 있다.
표 1. 기존 모바일 플랫폼과 안드로이드
Table 1. base mobile platform and Android 스마트폰
OS 아이폰 OS 윈도우 모바일 안드로이드
개방 여부 폐쇄적 폐쇄적 개방적
인터넷 접속 방식
무선 인터넷, WI-FI
무선 인터넷, WI-FI
무선 인터넷, WI-FI
해상도 넓은 해상도 넓은 해상도
(색감 떨어짐) 넓은 해상도 개발
플랫폼 Mac OS x Windows Windows, Linux, Mac
제공 디바이스
스마트폰 ,아이팟, 아이패드
스마트폰, PDA 스마트폰, PDA, PMP, 셋톱박스
2. 홈 네트워크 및 정보가전 기술
홈 네트워크(Home Network)는 집안의 가전기기 및 시스템을 상호 또는 외부 인터넷상의 정보기기와 연결한 다. 또한 각각의 기기 및 시스템에 대한 원격 접근과 제 어가 가능하고, 음악, 비디오, 데이터 등과 같은 컨텐츠를 사용할 수 있도록 양방향 통신 서비스 환경을 구현한다.
홈 네트워크가 구현되면 가정 내의 모든 정보가전기 기가 유⋅무선 네트워크로 연결되어 누구나 기기⋅시간
⋅장소에 구애받지 않고 다양한 서비스를 제공받을 수
있는 미래지향적인 가정환경을 구성하게 된다. 가정 내
에서 1대 이상의 PC를 연결, 인터넷 정보에 쉽게 접근할
수 있을 뿐만 아니라 원격접속을 통한 재택근무도 가능
하다. 또한 PC뿐만 아니라 디지털 정보가전(Digital Information Appliance)을 다양한 방법을 통해 네트워크 화 함으로써 집안의 모든 기기들을 하나로 묶을 수 있게 된다.
홈 네트워크의 기술 분류는 표2 와 같이 크게 홈 플랫 폼, 유⋅무선 홈네트워킹, 정보가전, 지능형 미들웨어 분 야 등 4개 분야로 나눌 수 있다. 홈 플랫폼 기술은 외부 망과 가정을 연결하고 가정 내 다양한 서비스를 지원한 다. 유무선 통합 홈 네트워크 환경 및 고품질⋅융합형 서 비스를 가능하게 하는 홈 서버/홈 게이트웨이, 홈 네트워 크 보안 및 개방형 서버 기술로 구성된다.
1단계 2단계 3단계
홈 네트워크 기술
홈 플랫폼 기술
홈 서버/홈 게이트웨이 기술 홈 네트워크 보안 개방형 서버 기술
유∙무선 홈네트워킹 기술
유선 홈네트워킹 기술 (Ethernet, PLC, IEEE1394)
무선 홈네트워킹 기술 (WLAN(802.11a/b/g/n), WPAN(UWB, ZigBee))
정보가전 기술 지능형 정보가전 홈센서 기술(센서, RFID)
지능형 미들웨어 기술
홈네트워킹 미들웨어 기술 상황적응형 미들웨어 기술 멀티 모달 인터페이스 기술 표 2. 홈 네트워크 기술 분류
Table 2. home network technique classification
유⋅무선 홈네트워킹 기술은 Ethernet, PLC, IEEE1394, HomePNA, 광홈랜 등의 유선 홈네트워킹 기 술과 Wireless LAN, Bluetooth,
[8-10]WPAN, ZigBee, UWB, Wireless1394 등의 무선 홈네트워킹 기술 등이 이 에 속한다.
정보가전 기술은 기존 백색가전기기들과 센서들을 네 트워크로 연결하여 새로운 서비스를 창출할 수 있는 환 경을 제공하는 지능형 정보가전 기술과 홈센서 기술로 구성된다.
지능형 미들웨어 기술은 매체 및 OS에 상관없이 정보 가전기기의 제어 및 감시를 수행하고 홈에서의 다양한 상황에 대한 적응력을 가지는 미들웨어, 상황적응 미들 웨어 및 멀티 모달 인터페이스 기술 등이 이에 속한다.
Ⅲ. 스마트폰을 이용한 정보가전 제어 시스템 설계
본 장에서는 스마트폰에서 댁내의 정보가전기기를 제 어하는 시스템 구성도와 흐름도를 나타내었으며, 또한, 원격에서 댁내의 정보가전기기를 제어하기 위해 필요한 사용자 인증에 관해 설계 하였다.
1. 제어 시스템 구성
제안된 시스템 구성도는 그림 1과 같으며 댁내에 있는 홈 서버에 블루투스와 CDMA 장치가 탑재되어 있다. 사 용자의 스마트폰(안드로이드)에도 블루투스 장치와 CDMA 가 탑재되어 있고, 정보가전기기를 통합 제어하 고 및 관리하기 위한 컨트롤 어플리케이션이 탑재되어 있다. 사용자는 스마트폰(안드로이드)으로 댁내에서는 블루투스로 정보가전기기와 통신하고 댁외에서는 CDMA로 통신하게 된다.
그림 1. 시스템 구성도
Fig. 1. system composition
2. 제어 프로토콜 설계
정보가전 제어 메시지를 이용하여 댁내의 정보가전기
기를 제어하고 정보가전 상태 메시지를 이용하여 모니터
링 한다. 그림 2는 스마트폰으로 홈 서버와 CDMA 통신
을 하는 프로토콜를 나타내고 있다. 그림에서 보는 바와
같이 스마트폰과 홈 서버 사이에서 댁내의 정보가전기기
를 제어하고 모니터링 하기 위한 제어 및 상태 메시지가
송수신되게 된다. 스마트폰은 광역망을 통해 댁내에 있
는 정보가전기기를 제어한다.
그림 2. 스마트폰과 홈 서버 간의 CDMA 통신 프로토콜 Fig. 2. CDMA communication protocol between
smartphone and home sever
먼저 자신이 사용자임을 인증하기 위해 스마트폰 단 말은 홈 서버에게 사용자 인증을 요청한다. 홈 서버는 암 호화되어 전달된 프로파일 정보를 확인하여 사용자임을 확인해 주는 OK 메시지를 스마트폰 단말에 전송하게 된 다. 스마트폰 단말은 인증을 거쳤으므로 댁내의 정보가 전기기를 CDMA 통신으로 제어하거나 모니터링 할 수 있는 상태가 된다. 홈 서버는 스마트폰(안드로이드)에게 정보가전기기 상태 메시지를 전송하고 단말과 홈 서버 간에 제어 및 상태 메시지 송수신을 통해 정보가전기기 를 제어하거나 모니터링 한다.
그림 3. 스마트폰 과 홈 서버 간의 블루투스 통신 프로토콜 Fig. 3. bluetooth communication protocol between
smart phone and home sever
그림 3은 스마트폰(안드로이드 폰)으로 홈 서버와 블 루투스 통신을 하는 프로토콜을 나타내고 있다. 스마트 폰 과 홈 서버 사이에는 댁내의 정보가전기기를 제어 및 모니터링하기 위한 메시지가 송수신 된다. 스마트폰은 이를통해 근거리 망에서 댁내의 정보가전기기를 제어한 다. 먼저 스마트폰은 블루투스 통신을 하기 위해 홈 서버
에 장착되어 있는 블루투스 AP를 검색한다. 홈 서버는 블루투스 클라이언트의 접속을 승인하고, 블루투스 접속 이 완료된다. 이때 스마트폰은 댁내의 정보가전기기를 블루투스 통신으로 제어하거나 모니터링 할 수 있는 상 태가 된다. 스마트폰 과 홈 서버 사이에는 블루투스 통신 에 의해 메시지 송수신을 하여 정보가전기기를 제어하거 나 모니터링 한다. 송수신되는 메시지는 정보가전기기를 제어하기 위한 제어 메시지와 정보가전기기의 상태를 표 시하는 상태 메시지가 있다.
3. 사용자 인증과정
그림 4는 사용자 인증과정으로 공개 네트워크를 통하 여 안전한 통신으로 사용자임을 증명하는 인증절차가 요 구되는 과정을 보여주고 있다. 댁내의 정보가전기기가 원격에서 제어하기 위해서는 이러한 사용자 인증절차를 반드시 선행되어야 한다. 사용자는 홈 서버에 접속할 때 스마트폰에서 사용자 유저 네임과 패스워드를 입력하여 사용자 인증을 요청한다. 이때 서버로부터 다운받은 사 용자 프로파일에서 암호화키를 이용하여 복호화 과정을 거쳐 해당 사용자의 프로파일을 DB에 요청하게 된다.
DB에서 가져온 사용자 프로파일에서 사용자의 유저 네 임과 패스워드 일치여부를 판단하게 되며 일치하면 사용 자임을 확인할 수가 있으므로 사용자 인증이 완료된다.
그림 4. 사용자 인증과정
Fig. 4. user authentication process
그림5는 스마트폰에서 정보 가전 제어 시 사용자 인증
프로그램 흐름도를 정의하였다. 각 단계별로 동작을 살
펴보면 사용자 인증 단계는 사용자가 어플리케이션을 통
해 홈 서버에 접속하여 홈 서버와 인증하기 위한 사용자
ID과 패스워드를 입력을 한 후 홈 서버에 사용자 인증을 요청한다. 사용자의 ID와 패스워드는 스마트폰에서 홈 서버에게 암호화 된 메시지를 전달하며 홈 서버는 메시 지를 다시 복호화 하여 해당 사용자 인증 후 확인 메시지 를 스마트폰으로 전달한다. 정보 가전 제어 단계는 스마 트폰 메뉴에서 제어 할 가전을 클릭 하고 홈 서버에 전송 할 제어 메시지를 생성 한다. 제어 메시지가 정의되면 스 마트폰은 제어 메시지를 홈 서버에 전송하고 정보 가전 을 제어 한다.
그림 5. 사용자 인증 프로그램 흐름도
Fig. 5. program authentication program flowchart
스마트폰은 키보드나 마우스를 휴대할 수 없기 때문 에 사용자가 쉽게 이용할 수 있는 터치스크린 방식을 보 편적으로 이용하며 그 외 음성 인식이나 모션 제스쳐 등 의 다양한 입력 수단을 제공한다. 사용자 인터페이스 설 계 시 누구나 쉽게 어플리케이션을 사용할 수 있도록 설 계해야 하며 기존 홈 네트워크 시스템의 불편한 입력 수 단을 대체하기 위한 다양한 입력 방식을 고려해야 한다.
IⅤ. 구현 및 테스트
1. 개발환경
본 논문에서 제안한 시스템의 개발 환경은 Android SDK Cupcake 2.1버전이며, 개발도구는 Elipse의 Android ADT Plugin을 사용하여 개발 하였다. Android SDK는 Windows, Mac, Linux등 모든 OS환경에서 개발
할 수 있었다. 테스트 환경은 일반적으로 안드로이드 SDK에 포함된 에뮬레이터를 사용하여 테스트를 진행 하 였다. 테스트 서버는 Ubuntu 9.04 Linux를 기반으로 C 기반의 UNIX TCP/IP 소켓 프로그램으로 구현 하였으 며, DBMS는 오픈소스 기반의 CUBRID 2.0버전을 사용 하였다.
2. 테스트 및 결과 분석
본 논문에서는 제안한 스마트폰을 이용한 정보가전기 기들 중에 보일러와 TV를 대상으로 제안된 제어 시스템 을 테스트 하였다.
그림 6은 사용자 인증과정을 보여준다. 1)은 스마트폰 에서 사용자 인증을 위해 사용자의 프로파일 정보를 입 력하고 해당 정보를 암호화하여 홈 서버에 전송한다. 2) 는 홈 서버의 상태를 확인하고 3)은 홈 서버에서 암호화 된 내용을 확인한다. 홈 서버는 스마트폰에서 전송된 프 로파일 정보를 확인하여 4)의 사용자 인증 OK 메시지를 스마트폰에 전송하고 5)는 현재 보일러의 상태 메시지를 스마트폰으로 전송하게 된다.
그림 6. 사용자 인증 결과
Fig. 6. user authentication result
그림 7은 1)의 댁내 정보가전기기들 중 보일러의 상태
를 확인하고 제어하는 과정이다. 그림 6의 5)에서 홈 서
버가 정보가전 상태 메시지를 스마트폰에 보내준다. 스
마트폰은 정보가전 상태 메시지를 받아 보일러의 전원이
OFF 상태임을 보여준다. 이때 보일러의 전원을 제어하
기 위해 전원 메뉴를 선택하면 3)에서 현재상태가 OFF 임을 나타내고, 4)에서 보일러의 전원을 ON으로 설정하 면 보일러의 상태가 ON이 된다.
그림 7. 보일러 전원 제어 Fig. 7. boiler power control
그림 8은 홈 서버와 스마트폰 간의 보일러의 메시지 통신 과정을 보여준다. 그림 7의 4)에서 보일러의 전원을 ON으로 설정하면 그림 7의 1)에서 정보가전 메시지를 홈 서버로 전송한다. 그러면 댁내의 보일러가 전원이 ON 으로 되고 2)의 정보가전 상태정보 메시지를 스마트폰으 로 전송된다.
2) 1)
2) 1)
그림 8. 보일러 전원 제어 메시지
Fig 8. boiler power control message
그림 9는 스마트폰에서 보일러의 현재 상태를 확인 하 는 과정이다. 그림 8의 2)는 홈 서버에서 정보가전 상태 정보 메시지를 스마트폰으로 보내게 된다. 스마트폰은 이를 받고 1)에서 전원이 ON, 현재난방온도, 설정온도난 방 온도를 시각적인 메뉴구성 부분에 보이고, 보일러 메 뉴에서 조정기능, 난방온도를 선택하면 2)에서 보일러의 현재난방온도를 시각적으로 볼 수가 있다.
그림 9. 보일러의 현재 상태
Fig. 9. current protocols of boiler
그림 10은 스마트폰에서 댁내의 정보가전기기를 제어 하기 위해 통합 리모콘 응용 프로그램을 시작하는 화면 을 보여주고 있다. 그림에서 보는 것처럼 1)은 블루투스 서버를 구동시키는 과정이며, 홈 서버의 블루투스 AP를 검색할 때 2)의 홈 서버에서는 블루투스 AP를 찾는다는 요구 메시지 과정을 볼 수 가 있다.
그림 10. 블루투스 AP 검색 Fig. 10. bluetooth AP search
그림 11은 블루투스 AP를 검색하여 블루투스에 접속 이 되면 1)에서처럼 스마트폰의 MAC주소가 나타내는 과정을 보여주고 있다.
1) 1) 그림 11. 블루투스 접속
Fig. 11. bluetooth connection
그림 12는 댁내 정보가전기기들 중 디지털 TV인데, 현재 디지털 TV의 전원이 OFF되어 있는 것을 볼 수가 있다.
그림 12. 디지털 TV의 OFF 상태 메시지 Fig. 12. OFF state message of digital TV
그림 13은 그림 10의 2)에서 받은 디지털 TV전원 ON 의 제어 메시지를 받아서 디지털 TV의 전원이 ON으로 된 화면을 보여주고 있다.
그림 13. 디지털 TV의 ON 상태 메시지 Fig. 13. ON state message of digital TV
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 스마트폰(안드로이드)을 이용하여 정 보가전기기를 제어하는데 사용자의 편리한 인터페이스 를 위해 스마트폰의 특징에 맞는 정보가전기기 제어 인 터페이스를 설계 및 구현 하였다. 또한, 댁내에서 스마트 폰으로 블루투스 통신을 구현 하였으며, 홈 서버 사이에 정보가전 메시지를 송수신하여 제어 및 모니터링 하였다.
또한, 댁외에서 기밀성과 무결성을 보장하기 위해 사용 자 인증을 Arcfour 방식으로 구현 하였다. 향후 연구 방 향으로는 단순히 상태를 모니터링하고 가전을 제어하는
기능을 넘어 집안에 이상 징후를 감지할 수 있는 방안에 대한 연구가 이루어 질 것이다. 또한, 향후 안드로이드 플 랫폼이 모바일을 넘어 셋톱박스나 정보 가전에 안드로이 드가 탑재가 되면 향후 안드로이드 플랫폼을 중심으로 한 홈 네트워크가 구축이 될 것으로 예상되며 앞으로 스 마트 폰을 중심으로 한 홈 네트워크에서 어떠한 역할을 할 것인지에 대한 방안을 제시하도록 할 것이다.
참 고 문 헌
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[9] Ling-Yan Bi, Lin C.E, "Design and Improvement
of Remote Control system Using Bluetooth
저자 소개
전 병 찬(정회원)
∙제9권 6호 참조
∙현 청운대학교 방송영상학과 교수 <주관심분야 : 컴퓨터구조, 홈 네트워
크, 모바일, 마이크로프로세서 등>
최 규 석(종신회원)
∙제9권 6호 참조
∙현 청운대학교 컴퓨터학과 교수 <주관심분야 : 인공지능,이동통신,디
지털방송시스템, 이동컴퓨팅>
이 상 정(정회원)
