Design and Implementation of prototype model of Smart Diffuser using Smart Phone

스마트폰을 이용한 스마트 디퓨저의 프로토 타입 모델 설계 및 구현

Abstract

This paper presented a design and a implementation of prototype model which is the smart diffuser device controlled by using Bluetooth technology in the smart phone. We used the ultrasonic waves oscillator so that the smart diffuser was able to spray oil into a device. The device was developed to find out the high brightness led colors switched during spraying the oil. By using the Li-Po battery of 40mAh capacity, we were able to design this portable device was prolonged available time to use and to solve the charging time problem. We realized the availability of prototype model which is using the Bluetooth Low Energy for operating the low power driving.

본 연구에서는 블루투스를 이용하여 스마트폰 으로 제어되는 Smart Diffuser 디바이스의 초기모델을 개발하였다. Smart Diffuser는 디바이스에 주입하는 오일을 분사시키기 위해 초음파 진동자를 이용하였다. 고휘도 LED를 사용하여 오일이 분사되는 동안에 색상 변화가 보여 지도록 디바이스를 개발하였다. 휴대용 디바이스인 점을 감안하여 충전 시간 문제를 해결하기 위해 40mAh의 Li-Po 배터리를 사용하여 장시간 사용할 수 있도록 설계를 하였다. Bluetooth Low Energy를 이용하여 저전력 구동을 구현을 함으로서 초기 설계모델의 유용성에 대해 확인 하였다.

Ⅰ. 서론

최근의 연구 및 통계자료를 살펴보면 불안한 미래와 과다한 업무, 가족 간의 불화등과 같은 사회적 위험 요소가 존재하는 현실로 인해 성인뿐만 아니라 중고등 학교 재학 중인 청소년들 조차도 스트레스로 인한 우울증으로 인해 최악의 경우 해결책으로 자살을 선택하는 등 사회적인 문제가 되고 있는 것이 사실이다. 스트레스는 인체가 적응해야 하는 외부 자극이나 변화에 따른 신체적, 정신적인 행동 반응을 의미하는데 분노하는 성격을 가진 경우는 스트레스가 해소되지 못하는 경우 심장을 압박하고 혈액순환 장애로 발전하여 고혈압, 긴장성 두통, 부정맥 등과 같은 심장질환으로 진행되어 심정지로 인한 돌연사로 이어진다는 연구도 보고되고 있고 우울증, 불안 장애와 같은 정신과 질환으로 발전하는 경우도 있어 자살과 같은 극단적인 행동으로 발전하기도 한다.^[1] 우리나라의 경우 2001년 청소년 자살율은 인구 10만 명당 3.19명에서 2011년에는 5.58명으로 57.2% 증가했고 2015년 통계로는 13513명이 자살한 것으로 세계자살 1위에 보고된 바도 있다. 따라서 현대인들에게는 스트레스를 어떻게 해결하는가 하는 점이 중요하다 하겠다.

그림 1. 우리나라 자살문제현황 (보건복지부)

Fig. 1. KOREA suicide problem present condition (Ministry of Health and Welfare)

일반적인 스트레스 해결책은 규칙적인 운동과 건강한 식생활, 긍정적인 사고, 가정이나 직장에서의 유대 관계 확립 등과 같은 적극적인 대처 방식을 들 수 있으나 대학 진학문제, 취업 관련한 청년 일자리 부족문제, 고물가, 저임금 등과 같이 미래가 불확실하고 복잡한 현 사회 구조상 감정 치유와 신체 건강을 동시에 향상 시킬 수 있는 해결 방안을 고민하던 중 BC5000년 경부터 종교의식에 사용되어 민간으로 전파된 아로마 테라피 (항균성을 갖는 아로마향을 이용한 긴장 이완) 치료법을 적용하면 분노조절과 같은 감정 변화의 문제를 완화 시킬 수 있을 것으로 판단하였다.

본 연구에서는 개인이 시간과 장소에 구애받지 않으면서 본인의 필요시 언제 어디서나 휴대폰과 연계하여 간편하게 사용할 수 있는 휴대용 디퓨저의 초기모델을 개발하였다.

Ⅱ. 관련 연구

1. 아로마테라피 효과

20세기 초 프랑스에서 발생된 실험실 폭발사고 환자 치료 중 Rene Maurice Gattefoses가 lavender 오일이 화상치료에 효과가 있다는 사실을 발견하면서 AROMATHERAPY라는 용어가 사용되기 시작하였고 2차 세계 대전 중 부상병 치료에서 에센셜 오일의 효과가 확인되었고 1960년대 영구 태생 생화학자 Marguerite Maury가 마사지 요업을 시술하였다. 이후 아로마 테라피가 학문적으로 정립되었고 현대인들의 심리치료와 정신건강 개선치료에 사되어왔다. lavendr와 sandalwood등은 α파를 활성화 시키고 jasmine,spice-apple 향은 β파를 활성화 시킨다. 심리적인 스트레스로 인한 수축혈압의 상승을 감소시키는 효과 및 심장 박동의 변화율을 억제 시키는 효과를 보인다.^{[2],[3],[4],[5]}

2. ZigBee 기술의 개요

지그비는 IEEE 802.15.4-2003을 기반으로 한 저전력 하이레벨 통신 프로토콜로 단거리 라디오 주파수를 사용하는 근거리 개인 무선통신망의 기준이다. 지그비는 한 번의 배터리 충전으로 수개월, 또는 수년간 사용 가능할 정도의 낮은 소비전력, 디바이스, 설치, 유지가 상대적으로 낮은 비용으로 가능하다는 저렴한 가격, 사용이 용이하면서도 안전성(보안성)과 신뢰성이 요구되는 산업용 제어, 임베디드 센서, 의학자료 수집, 화재 및 도난, 빌딩 자동화, 홈 오토메이션 등과 같은 RF 어플리케이션에 주로 사용된다.^[6],[7]

그림 2. 지그비 디바이스 시스템

Fig. 2. ZigBee device System

지그비 디바이스는 그림 3에 표시된 것처럼 네트워크를 형성하고 다른 네트워크들과 연결시키는 지그비 코디네이터와 애플리케이션 기능뿐만 아니라, 다른 디바이스로부터의 데이터를 전달할 수 있는 라우터, 지그비 엔드 디바이스로 분류된다.

그림 3. 지그비 디바이스 스택

Fig. 3. ZigBee device stack

지그비는 다른 많은 프로토콜 스택보다 간단하고, 지그비 스택 코드의 크기는 다른 프로토콜에 비해 작다. MAC과 PHY는 IEEE 802.15.4 standard에 의해서 정의된다. 네트워크와 애플리케이션 레이어들은 장비 디자이너에 의해 제공되는 actual application과 Zigbee Alliance에 의해서 정의된다.

3. 블루투스 기술의 개요

블루투스는 전화기, 노트북, 카메라, 프린터, 커피메이커 등과 같이 서로 다른 기능을 가진 장치를 연결하기 위해서 설계된 무선 LAN 기술로 피코넷(piconet)과 스캐터넷(scatternet)의 네트워크 형태로 정의된다. 블루투스장치는 내부에 장착된 짧은 영역을 가진 무선 전송기를 가지고 있고 데이터율이 2.4GHz 대역에서 1Mbps로 IEEE802.11b 무선 LAN과 블루투스 Lan 사이에서 간섭이 발생된 가능성을 가진다.

그림 4. 피코넷(piconet)과 스캐터넷(scatternet)

Fig. 4. piconet and scatternet

블루투스의 계층은 그림5에 표시된 것처럼 무선층은 인터넷 모델의 물리층과 비슷하다. 불루투스장치는작은 전력을 사용하며 10m 정도의 반경 범위에서 사용된다. 밴드 대역은 79개 널로 나뉘어진 2.4GHz ISM 대역을 사용하며 1채널당 1MHz 가 할당된다.

그림 5. 블루투스 디바이스 스택

Fig. 5. Bluetooth device stack

블루투스는 다른 장치나 네트워크로부터의 간섭을 피하기 위해 물리층의 주파수 도약 확산 스펙트럼(FHSS: frequency-hopping spread spectrum) 방식을 사용하고 가우시안 대역폭필터를 가진 FSK를 사용한다. 기저 대역층은 LAN에서의 MAC sub Layer와 유사한데 접근 방식은 secondary에서 반이중 양방향통신의 한 종류인 TDMA(time division duplex)를 사용한다. 물리적 링크층은 SCO(synchronous connection oriented)링크와 ACL( asynchronous connection oriented)링크로 만들어지고 그림6에 표시된 프레임의 형식을 가진다.^{[8],[9],[10],[11],[12],[13]}

그림 6. 블루투스 프레임 형식

Fig. 6. Bluetooth prame type

Ⅲ. 스마트 디퓨저 모델 설계 및 제작

스마트폰과 디바이스를 연결하기 위해서는 BLE 및 여러 작업을 처리할 수 있는 MCU가 필요하였다. PCB를 최대한 작은 사이즈로 만들기 위해 nordic사의 nrf51822칩을 사용하였다. nrf51822칩의 경우 coretex- m3 기반의 bluetooth가 내장되어 있는 칩이며 주변회로를 구성하였고 안테나의 경우 패턴 안테나를 사용하였다.

그림 7. BLE 회로도

Fig. 7. BLE Schematic diagram

이후 디퓨저를 분사할 수 있게 하기 위해 초음파 발진 회로를 구성하였다. 분사에 사용되는 초음파 세라믹 진동자의 커패시턴스는 1200pF의 크기를 가지며 공진주파수는 165kHz이다. 실험을 진행한 결과 강력한 분사를 위해서는 100Vp-p의 첨두치를 갖고 165KHz 주파수를 갖는 교류 전압이 필요하였다. 이런 조건을 충족시키기 n-type Mosfet NE555 Timer IC, MC34063IC를 사용하였다.

NE555 Timer IC를 이용하여 165KHz의 클럭을 발생 시켜 n-type Mosfet Gate에 공급한다. MC34063 IC로 3.7V의 Li-po 배터리 전압을 35V로 승압 시켜 10mH인덕터에 공급한다. n-type Mosfet Drain에 직렬로 연결된다. 165KHz의 클럭에 의해 MOS가 on/off 되면서 기전력이 발생되어 100Vp-p의 첨두치를 가지는 165KHz의 주파수를 갖는 교류를발생시킨다.

그림 8. 초음파 발진회로

Fig. 8. Ultrasonic oscillator circuit

그림 9에 표시된 것처럼 초음파 발진회로 설계를 완성하고 4개의 RGB 고휘도 LED를 자유자재로 사용하기 위해 LED DRIVER iC인 SN3218 칩을 사용하였다. SN3218 IC는 6채널의 LED DRIVER이며 I2C 통신을 통해 클럭을 변조하여 LED를 제어할 수 있는 IC이다.

그림 9. LED 구동회로

Fig. 9. LED driver circuit

그림10에 표시된 것처럼 USB를 통하여 LI-PO 배터리를 충전할 수 있도록 충전 회로를 설계하였다. 또한 배터리 잔량을 체크 할 수 있도록 배터리가 연결된 부분을 MCU의 ADC 핀으로 연결하여 전압값을 측정 할 수 있도록 설계하였다.

그림 10. USB and BATTERY 충전회로

Fig. 10. USB and BATTERY charging circuit

ARTWORK은 양면으로 진행하였고, 발진 회로 부분에 사용되는 10mH 인덕터가 패턴 안테나에 미치는 영향을 최소화하기 위해 최대한 패턴 안테나와 떨어지게 부품을 배치하였다. 또한 4개의 HOLE을 뚫어 기구물에 고정을 할 수 있게 하였다. ARTWORK 작업 완료 후 ARTWORK 파일에 나와 있는 부품 배치 및 모양 그대로 PCB를 제작하였다. PCB 제작에서는 패턴안테나의 성능을 높이기 위해 금도금을 진행하였고 최대한 크기를 줄이기 위해 부품을 양쪽으로 실장 될 수 있도록 양면으로 PCB를 제작하였고 그림11에 표시된 것처럼 양면 SMT 실장 작업을 진행 하였다.

그림 11. PCB and SMT 조립

Fig. 11. PCB and SMT assembly

PCB 제작 작업 및 SMT작업이 완료되고 완성된 PCB를 고정시키기 위해 외관작업을 진행하였다. 외관작업의 경우 PCB와 정확하게 일치되도록 설계하였다. 그림12 표시된 것처럼 외관 재질은 플라스틱으로 제작하였고, USB를 외부 먼지로부터 보호 할 수 있도록 고무 패킹을 진행하였다. 제품의 규격은 7×6×3cm, 카트리지의 용량은 20ml이고 외관은 폴리프로필렌으로 제작되었다.

그림 12. 시제품의 외관과 동작

Fig. 12. prototype product appearance and motion

외관 제작 완료 후 디바이스에 전원 ON, OFF기능. Bluetooth 페어링 기능, 분사 기능, timer기능, 배터리 잔 체크와 같은 기능을 추가하기 위한 펌웨어 작업을 실시하였다. 펌웨어의 경우 KEIL 프로그램을 사용하였다.

Ⅴ. 결론

본 연구에서는 개인이 시간과 장소에 구애받지 않으면서 본인의 필요시 언제 어디서나 휴대폰과 연계하여 간편하게 사용할 수 있는 휴대용 디퓨저의 초기모델을 개발하였다. 베터리 충전 시간 문제를 해결하기 위해 40mAh의 Li-Po 배터리를 사용하여 장시간 사용할 수 있도록 설계를 하였고 Bluetooth Low Energy를 이용하여 저전력 구동을 구현을 함으로서 설계 모델의 유용성에 대해 확인하였다. 아로마 테라피 디퓨저가 실용화된다면 스트레스에 시달리는 현대인들의 긴장완화 효과로 인한 삶의 질을 개선함으로서 자살율 증가를 감소시키는 등의 긍정적인 효과가 발생될 것으로 기대된다.