*Department of Electronic Engineering, Gachon University([email protected])
Received November 25, 2020 Revised December 08, 2020 Accepted December 09, 2020
IoT를 이용한 스마트 도어락에 관한 연구
김장원*
A Study on Smart Door Lock using Internet of Things
Jang-Won Kim*
요 약 최근 홈네트워크에서 IoT를 이용한 다양한 서비스 제공 기술이 표준화되고, 디지털 도어락도 IoT를 이용하여 편리하게 이용할 수 있게 하는 한편 보안과 안전이 보장되는 방법으로 디지털 도어락이 동작되도록 연구가 진행되고 있 다. 본 연구에서는 이러한 추세를 반영하여 Raspberry-PI와 웹 서버를 연동하여 홈네트워크를 구성하고, 여기에 Converter기능을 대신 하는 Arduino를 연결한 후, 도어락을 제어하도록 시스템을 구성하였다. 홈네트워크 이더넷은 기 존의 오픈소스를 이용하여 유동 IP 주소를 사용하는 Raspberry-PI가 DNS 정보를 쉽게 유지하고 인터넷망에 접속이 가능하도록 하였고, 최종적으로 스마트폰이 인터넷으로 접속한 후 지정 주소로 들어가서 원격으로 도어락을 제어할 수 있 도록 하였다. 홈네트워크와 Arduino 연결은 Raspberry-PI와 블루투스 페어링으로 1:1 연결하여 임의의 사용자 접근이 불가능하도록 하였다. 특히 키패드의 비밀번호를 사용하거나 RFID 카드를 이용해 제어하는 방법이 아닌, 스마트 폰으로 도어락 열림/닫힘이 가능하도록 한 것은 임의 사용자가 출입할 수 없도록 보안성을 높인 방법으로 판단이 되었고, 원거 리 제어가 가능하도록 하여 그 유용성을 높였다.
Abstract The research is on progressing to operate digital door lock with the method to guarantee the security and safety in the meantime to use digital door lock conveniently using Internet of Things (IoT) standardizing various service providing technology using IoT in home network currently. In this study, compose home network interconnecting Raspberry-PI and web server reflection this trend and composed the system to control the door lock after connect Arduino substituting converter function. Making Raspberry-PI using dynamic IP address using existing open source easily maintain DNS information and possible to connect internet network in home network ethernet and finally, making the smartphone can control door lock remotely entering designated address after connect the internet. The connection between home network and Arduino is executed by Raspberry-PI and bluetooth pairing as 1:1 and make random user’s access to be impossible. Especially, to make open/close the door lock with smartphone not by using password on the keypad or using RFID card is judged as the method increasing the security make random user’s access to be impossible and also increased the usefulness making remote control to be possible.
Key Words : Internet of Things(IoT), Raspberry-PI, Arduino, Bluetooth Pairing, Home Network
1. 서론
디지털 도어락은 비밀번호 방식을 적용한 전자 식 도어락으로 출발하였다. 비밀번호를 이용함으로 써 열쇠 없이도 집에 출입할 수 있는 편리성을 소 비자에게 제공했으며, 문을 닫을 때 자동으로 문을
잠궈주는 기능이 추가되면서 외출 시 문단속에 대 한 걱정을 줄여주었다. 편리성을 바탕으로 점차 시 장이 확대되어 나갔으며, 기술이 점차 발전함에 따 라 반도체 키 방식, RFID[1], 지문인식[2] 및 얼굴 인식[3] 등 여러 가지 인증 기술이 추가로 도입되
었다. 이러한 디지털 도어락의 발전 추세를 보면, 지금까지 개발되고 출시된 디지털 도어락은 도어 의 열림/닫힘의 기술 개발에 중점을 두었다고 볼 수 있으며, 홈네트워크[4] 연동을 통한 모바일 제어 측면에서는 연구가 부족한 면이 있고, 문 앞에서 블루투스[5]나 지그비[6] 연결을 통한 디지털 도어 락 열림/닫힘이나, 지문이나 얼굴 영상 인식과 인 증을 통한 열림/닫힘에 목적을 둔 시스템이라고 볼 수 있다. 최근 임베디드 시스템이 저렴하며 소형화 되고 단순화 되면서, IoT를 이용한 정부의 홈네트 워크 산업 발전을 추진하는 과정에서 신규 아파트 에 홈네트워크가 점차 도입 되기 시작했으며, IoT 를 이용한 디지털 도어락이 홈네트워크와 연동될 수 있는 제품에 대한 요구가 증대 되었다. 이에 홈 네트워크와 연동할 수 있는 디지털 도어락에 IoT 를 접목한 스마트 도어락[7]을 개발하여 외부에서 홈네트워크 시스템을 통하여 출입문의 열림/닫힘 제어와 상태를 파악할 수 있게 도와주거나 스마트 도어락에 무선으로 연동하여 집 안의 침입자를 감 지하여 알려주는 홈시큐리티 시스템의 개발도 요 구되고 있다. 홈네트워크와 스마트 도어락의 연동 기술은 우선 유선 연동방식을 볼 수 있으며, 스마 트 도어락이 홈네트워크 서버에 연결되어 제어되 며, 주거환경 내에 전송선로 설치가 필요하게 된 다. 다음으로 무선 연동방식에서는 홈네트워크 서 버와 도어락이 지그비 기술이나 기존의 블루투스 통신으로 연결되어 제어할 수 있고, 직접 무선랜으 로 연결하여 제어할 수 있다. 공통적으로 유/무선 연동방식은 과거 단방향 통신 기술을 많이 사용하 였으나, 홈네트워크와 연동 시 필요한 기능적 요구 사항이 점차 많아짐에 따라 양방향 통신 기술을 이 용하는 방향으로 확대되어 가고 있다.
본 연구에서 만들고자 하는 스마트 도어락의 필요성은 방문자가 방문을 하였을 때 부재중이거 나 또는 부득이하게 집에서 도어락을 제어할 수 없을 때 모바일 시스템으로 장소에 제약이 없이 도어락을 제어함으로써 사용자에게 편리함을 주 기 위함이다.
2. 본론
본 연구에서 사용하는 홈네트워크 시스템은 Raspbian OS(Linux kernel version 4.19.60)가 설 치된 Raspberry-PI 3 MODEL B+를 이용하였으며, 모바일 시스템으로 웹서버를 통하지 않고 직접 디지틀 도어락 열림/닫힘을 작동할 수 있으나 스마트 홈네트워 크를 이룩하기 위해서 PHP를 이용한 웹 서버[8]를 구 축하였고, 이 웹 서버를 통하여 디지털 도어락의 열림/
닫힘을 수행할 수 있도록 하였다. 홈네트워크 서버는 Raspberry-PI와 웹 서버를 묶어서 홈네트워크 서버로 둘 수 있다. 이 서버가 TCP/IP 통신으로 인터넷에 연 결되어있고, 사용자는 모바일 시스템으로 홈네트워크 서버에 접속할 수 있도록 하였다. 디지털 도어락을 제 어하기 위해서 ATmega328 MCU가 장착된 Arduino Uno R3 보드를 이용하였다. 디지털 도어락을 제어하 기 위한 홈네트워크 시스템의 구조는 그림 1과 같다.
그림 1. IoT를 이용한 도어락 시스템 Fig. 1. Door lock system using IoT
2.1 도어락 시스템 구성
2.1.1 Raspberry-PI와 Arduino의 블루투스 통신 Arduino와 Raspberry-PI는 HC-06 모듈을 이용 하여 BlueTooth Pairing으로 연결한다. H/W 구성을 볼 때, 아두이노의 serial port는 한 개가 있다. 이 serial port를 이용하여 Raspberry-PI와 연결도 하 고, 아두이노로 코드를 컴파일하여 업로드도 해야 한 다. 하나의 port로 동시에 두 시스템을 연결할 수는 없 다. 따라서 이를 해결하기 위하여 Software serial port를 구성하여 하나의 H/W port를 두 개의 S/W port로 만들어 사용하여 이 문제를 해결한다. 아두이 노의 디지털 GPIO 핀들은 모두 Software serial로 사
용할 수 있다. 본 연구에서는 TX로 7번핀을, RX로 8 번 핀을 사용하였다. 그림 2는 Raspberry-PI와 아두 이노의 논리적 연결을 보여준다. 실제 연결에서 아두이 노는 Raspberry-PI의 컨버터 역할을 한다. 아두이노 의 경우는 직접 디바이스를 GPIO에 연결하여 제어할 수 있으나 Raspberry-PI는 직접 접근이 안되는 구조 이므로 반드시 컨버터를 통해서 디바이스에 연결해야 한다. 바로 아두이노가 컨버터역할을 한다.
그림 2. Raspberry-PI와 Arduino의 블루투스 페어링 Fig. 2. Bluetooth pairing between raspberry-PI and arduino
2.1.2 Arduino와 Door Lock 연결
아두이노는 가장 간단한 임베디드 시스템을 구성할 수 있는 마이크로프로세서이다. 실험에 사용된 도어락 은 ㈜에버넷의 모델 EN250-SN의 Inbody를 사용하여 실험하였다. KeyPad에 해당하는 Outbody는 본 연구 와 관계가 없으므로 사용하지 않았다. 도어락의 Inbody에는 수동으로 ‘열림버튼’이 있고, 아두이노가 이 버튼을 제어하여 열림/닫힘이 이루어지도록 하였 다. 시스템 구성은 그림 3과 같다.
그림 3. Arduino와 도어락의 연결
Fig. 3. Connection between arduino and door lock
2.2 App 구현과 DB 연동 2.2.1 Web DB 구현
IoT는 인터넷을 통하여 사물에서 받은 데이터를 분
석하고, 이를 통하여 또다시 사물을 목적에 맞게 제어 하는 것이다. 그리고 IoT를 구현하기 위해서는 클라이 언트와 서버 구조로 되어있는 Web이 필요하며, 클라 이언트에 해당하는 모바일 시스템(Smart Phone)에 설치되어있는 웹브라우저와 웹 서버간의 통신이고, 클 라이언트의 요청에 대한 응답을 해주도록 구현되었다.
서버는 우분투 운영체제하에 스마트폰과 같은 원거리 무선 통신망으로부터 전송되는 데이터가 서버에 접속 이 될 수 있도록 서버 WebClient 방식을 사용하였고, 이를 지원하는 HTTP 서버인 Apache를 설치하였다.
DB는 MySQL을 이용하여 전송데이터를 저장 및 관리 할 수 있도록 하였고, PHP로 구현하였다.
본 연구에서는 Raspberry-PI가 클라이언트이며, 모바일 시스템(mSmart Phone)도 클라이언트이다.
이 두 클라이언트의 연결과 제어에 관련된 어떤 값을 저장하고 제공하는 것이 웹 서버이다. 이 관계를 그림 4에 나타내었다.
그림 4. 클라이언트와 웹 서버의 연동
Fig. 4. Internetworking between client and web server
2.2.2 제어 App 구현과 도어락 제어
모바일 시스템에서 IoT를 통한 도어락를 제어하기 위한 앱을 모바일 시스템에 구현하였고 여기서 모바일 시스템은 스마트폰이며 그림 5에 나타내었다.
그림 5. 스마트폰의 도어락 제어 앱
Fig. 5. Door lock control App for smartphones
이 앱이 설치되어 있는 스마트폰(클라이언트 A)에서 도어락를 ‘OPEN’하라는 Request(1)를 하면, 이 요청 을 받은 웹서버는 도어락의 상태를 ‘open’으로 변경하 고 이 상태를 저장한다. 그리고 서버는 이 요청을 수행 하였다는 Response(2)를 스마트폰에게 보낸다.
Raspberry-PI(클라이언트 B)는 Wen server의 상태 변화가 있으면 이것을 보내달라는 Request(3)을 요구 한다. 웹 서버는 저장된 상태 값을 Response(4)로 Raspberry-PI에게 보낸다. 동일한 방법으로 ‘CLOSE’
에 대한 처리를 수행한다.
4. 실험 및 고찰 4.1 도어락 열림/닫힘을 위한 알고리즘
제안한 시스템을 동작시키기 위한 알고리즘을 그림 7에 나타내었다.
그림 6. 동작 순서도 Fig. 6. Operation flow chart
스마트폰으로 인터넷에 접속한 후 DDNS(Dynami c Domain Name System)[9]를 통하여 입력된 주 소가 동일함을 확인하게 되면 본론에서 설명한 연결 절차에 따라 도어락 열림/닫힘을 수행하게 된다.
4.2 DDNS 설정
네트워크 구성은 클라이언트가 인터넷에 접속하기 위하여 AP(Access Point)를 이용해야 하며, 여기서 DDNS는 유동 IP 주소를 사용하는 모바일 시스템
(Smart Phone)이 DNS 정보를 쉽게 유지할 수 있도록 해야만 한다. 클라이언트가 인터넷에 접속해오면 그 시 점에서 현재 사용되지 않는 IP 주소 중 하나를 임의로 골라 할당하며 이 주소는 오직 그 사용자가 인터넷에 접속하고 있는 동안에만 독점적으로 제공된다. 반복접 속의 경우 DDNS는 클라이언트에서 IP 주소가 갱신될 때마다 DNS DB를 자동 갱신하여, 특정 도메인 이름에 대응하는 IP주소가 바뀌더라도 적절하게 전과 같은 도 메인 이름으로 인터넷에 접속할 수 있게 한다. 그러나 클라이언트가 고정 IP를 사용하지 않아 불특정 다수의 Anonymous Clients 접속에 의한 DB접속을 제한하는 문제점이 있으므로 오랜 시간동안 DB에 접속하는 구조 는 적절하지 않으나, 단순히 도어락의 열림/닫힘 동작 을 수행하는 데는 문제가 없다. 다음 그림 6은 클라이 언트가 DB 서버에 정상적인 Access가 수행되는지 ping로 확인한 것이며, 실제 도어락을 제어하기 위한 DB구성이 완성되었음을 확인한 것이다.
그림 7. DDNS Ping 테스트 Fig. 7. DDNS ping test
4.3 Arduino를 이용한 도어락 열림/닫힘 도어락의 Inbody에 있는 ‘열림버튼’이 제어 대상이 며, on/off 명령으로 이 ‘열림버튼’을 대신할 수 있도록 개조하였다. 중요한 문제는 스위치의 on/off 동작시간 이 이론적으로 0.5초 이상의 시간을 필요로 하였으나 실험적으로 0.75초 이상이면 에러 없이 on/off가 동작 한다는 것을 확인하였다.
50번 이상의 반복 실험의 결과 인터넷의 환경에 따 라 도어락 열림/닫힘 동작 응답속도가 일정하지 않음
을 확인하였다. 앱으로부터 발생한 명령이 웹 서버로 전달되는 과정에서 time off를 0.5초 이내로 제한할 경우 약 10%의 동작 실패가 발생하였고, 최소 time off가 1초 이상이 되어야 동작실패가 발생하지 않음을 확인하였다. 실제 구현된 도어락 시스템에서 스마트폰 으로 제어명령을 수행하였을 경우 최종 응답은 1.75초 이상이 되며, 최대 3초 이상의 응답도 발생한 경우가 있었지만, 일반적인 도어락 시스템에서의 동작 지연과 비교했을 때 오류에서 크게 벗어나지 않은 정상적인 동작으로 평가할 수 있었다.
5. 결론
본 연구에서는 기존의 도어락 시스템이 OutBody를 통한 비밀번호 입력이나 RFID 접촉식 열림/닫힘 동작 에서 보안과 안전성의 문제를 해결하기 위하여 IoT를 이용한 도어락 시스템을 구현하였다. 우분투기반의 웹 서버를 구성하고 이를 바탕으로 스마트폰 App으로 열 림/닫힘 명령이 서버에 저장되게 하였고, Raspberry-PI가 서버의 명령을 수시로 체크하는 홈네 트워크 역할을 수행하게 하였다. 또한 Raspberry-PI 와 아두이노의 연결은 외부의 접촉이 이루어질 수 없 도록 bluetooth pairing으로 1:1 연결 하였고, Raspberry-PI의 컨버터 역할을 하도록 하여 Raspberry-PI가 도어락의 열림/닫힘을 제어하도록 구현하였다. 스마트폰 App을 클라이언트로 하는 원거 리 무선 제어동작을 실험한 결과 도어락의 열림/닫힘 동작이 원활히 이루어짐을 확인할 수 있었으며, 간헐적 인 네트워크의 랙 현상에 의한 제어 지연현상이 차후 해결해야 할 문제이다.
REFERENCES
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[8] Tae-Hak Ban, Seung-Eup Ha, Jun-Ki Min, H oe-Kyung Jung, "Using OpenWRT-based Rou ter to Build a Multi-function Web Server", J ournal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol.18, N o. 4, pp. 833-838, 2014.
[9] Nahk-Ju Jeong, Chun-Hee Lee, Hoe-Kyung J ung, "Implementation of Personal Energy Ma nagement System Using DDNS", Journal of t he Korea Institute of Information and Com munication Engineering, Vol. 19, No 6, pp.
1321-1326, 2015.
저자약력
김 장 원(Jang-Won Kim) [종신회원]
• 2001년 2월 : 명지대학교 대학원 전자공학과 (공학박사)
• 1993년 3월 ~ 현재 : 가천대학교 전자공학과 교수
<관심분야>
영상신호처리, 영상이해, 임베디드 시스템, 인터넷 통신, IPTV, IoT
