비교논문 분석 - 디지털 IoT 도어락 DDiT

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비교논문 분석
- 사물인터넷을 이용한 디지털 도어락 DDiT의
설계 및 구현
발표자 신우진

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비 회 원
세종대학교 컴퓨터공학과 daegyuseo@gmail.com
kohs2640@hanmail.com
정 회 원
세종대학교 컴퓨터공학과 교수(Sejong Univ.)
novak@sejong.ac.kr (Corresponding author임)
논문수 : 2014년 11월 14일
(Received 14 November 2014)
논문수정 : 2015년 1월 2일
(Revised 2 January 2015)
심사완료 : 2015년 1월 6일
(Accepted 6 January 2015)
Copyright 2015 한국정보과학회ː개인 목적이나 교육 목적
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해야합니다.
보과학회 컴퓨의 실제 논문지 제21권 제3호(2015.3)

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논문 소개 및 개요 서론 관련연구 시스템 개발환경 시스템 구성도 시스템 활용방안 결론
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논문 소개 및 개요 | 논문 소개
• 논문명 : 사물인터넷을 이용한 디지털 도어락 DDiT의 설계 및 구현
• 발표: 한국 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지
- 제 21권 제 3호 (2015/03)
• 저자 : 서대규, 고한신, 노용덕
- 세종대학교 컴퓨터공학부

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논문 소개 및 개요 | 개요 (1/2)
•사물인터넷(IoT)을 이용한 디지털 도어락
• 기존 디지털 도어락에 부착해서 사용할 수 있으며,
• 스마트폰 어플리케이션(Application. 이하 APP)을 열쇠로 활용하여
문을 열 수 있다.

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논문 소개 및 개요 | 개요 (2/2)
• 스마트 디바이스들은 다양한 센서를 장착하고 있음 (서론)
• 스마트폰 APP을 이용하므로 여러 부가적인 기능을 수행 가능
• 즉, 스마트폰의 여러 센서들을 사용해서 사물인터넷 디지털 도어락을 만드는 것을 목표로 하고 있음
• 사물인터넷 디지털 도어락은,
• 가정 뿐 아니라 호텔, 연구실, 회사같은 높은 보안을 필요로 하는 장소에서도 활용 될 수 있을
것으로 바라봄
• 본 논문에서 프로토타입 구현을 위해
아두이노와, 안드로이드 스마트폰을 사용하였다.

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서론 (1/5)
1) 스마트폰은 우리 일상생활에 필수품으로 빠르게 자리 잡아가고 있다. (많은 사람들이 사용)
2) 스마트 디바이스들은 다양한 센서를 장착하여 다른 목적을 위한 수단으로써도 사용될 수 있다.
3) 국내 디지털 도어락의 시장규모는 2010년 기준 1800억원 정도로, 매년 10~20%씩 성장하고 있다.
위 사실들을 바탕으로
직접적인 니즈가 존재하는 것은 아니지만, 시장 규모가 크고 지속적으로 규모가 커지고 있기 때문에
기존 스마트 도어락들의 단점을 개선시킨 시스템 개발을 목표로 하는 것으로 추정

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서론 (2/5)
• 사물인터넷 디지털 도어락과 스마트폰을 연동하는 방식
참고문헌 – 근거리 무선 통신 기술 정리
http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=hyunjungsep&logNo=220190548641
통신거리 보안성 연결 시간 전력소모 비트레이트
RFID < 1m 매우 낮음 - 리더기 전력 -
NFC < 20cm 매우 높음 <0.1s 매우낮음 424kbps
블루투스 < 10m 높음 <6s 보통 2.1Mbits
블루투스 LE < 10m 높음 <1s 매우낮음 1.0Mbits
Wi-Fi 매우 다양 매우 높음 <10s 매우 높음 1.3Gbps
목적에 맞게 Trade Off가 필요!

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서론 (3/5)
• 블루투스 기술을 도어락에 적용할 때에 2가지 방법
1. 도어락이 주체가 되어 주위의 블루투스 디바이스들을 탐색
2. 스마트폰이 도어락의 주체가 되어 작동
1번은 기존 Lockitron, August같은 스마트 도어락 제품에 적용되어있음

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서론 (4/5)
도어락이 주체가 되는 방법의 단점 -> 스마트폰이 주체가 되는 방법으로 해결
1) 주기적인 장치 탐색으로 많은 배터리 사용 -> BLE사용과 주체를 바꿈으로 해결
2) WIFI모듈 부재시 알림 불가
사용시 단가 상승 및 추가 배터리 소모 -> 스마트폰에는 Wi-Fi 모듈 + LTE모듈도 존재
3) 스마트폰을 분실 시 대처 곤란 -> 스마트폰 APP사용으로 Door의 관리자가 대처 가능

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서론 (5/5)
• 본 논문에서는 2번의 방안을 제안. (2. 스마트폰이 도어락의 주체가 되어 작동)
• 장점으로는
• 실시간 공유정보 수정가능
• 알림 서비스 제공
• 도어락 배터리 문제 해결
• 스마트폰 분실 상황 대안
• 도어락 Wi-Fi모듈의 부재로 단가 절감

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관련연구 (1/4) – 사물 인터넷 IoT
• IoT(Internet of Things)란?
• 각종 사물에 센서와 통신 기능을 내장하여 인터넷에 연결하는 기술을 의미
• 여기서 사물이란 가전제품, 모바일 장비, 웨어러블 컴퓨터 등 다양한 임베디드 시스템을 의미
• 시스코 시스템즈의 조사에 따르면 2013~2022년까지 10년간
IoT는 14조 4천억 달러의 경제적 가치가 있을 것이라고 예상한다

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관련연구 (2/4) – 디지털 도어락
• 디지털 도어락이란?
- 기존 열쇠 대신 비밀번호나 반도체칩, 스마트카드, 지문 등 디지털화 한 정보를 열쇠로 활용하
는 첨단 잠금 장치
• 장점:
• 열쇠가 없어도 도어락의 개폐가 가능
• 따로 열쇠를 휴대하지 않아도 되므로 휴대성 증가
• 단점:
• 주기적으로 비밀번호를 변경을 하지 않으면 보안성이 낮아짐
참고문헌 – 수동보조키와 디지털도어락의 차이 및 장단점
http://blog.naver.com/alscjflek/110185209200

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관련연구 (3/4) – BLE
• BLE(Bluetooth Low Energy)
• 기존의 Bluetooth Classic과 다르게 훨씬 적은 전력을 사용하여
Classic과 비슷한 수준의 무선 통신을 할 수 있음
• Bluetooth의 최대 단점인 과도한 배터리 소모 문제를 해결하는 기술
• Bluetooth 관련 업계에 큰 반향을 일으킴
참고문헌 – Bluetooth Low Energy(BLE) 파헤치기
https://zoyi.co/tech-blog/2015/11/03/Bluetoot-
Low-Energy-BLE

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관련연구 (4/4) – Lockitron

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관련연구 (4/4) – Lockitron
참고문헌 – Bluetooth Low Energy(BLE) 파헤치기
https://zoyi.co/tech-blog/2015/11/03/Bluetoot-
Low-Energy-BLE
본 논문에서 록키트론의 이러한 패러다임은 유지한채
단점을 극복하는 방향으로 설명하고 있는 것으로 판단

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시스템 개발환경 소개

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모바일 플랫폼 안드로이드 스마트폰 (갤럭시 S3)
마이크로 컨트롤러
플랫폼 (도어락 제어)
아두이노 UNO R3
제어용 언어로 C언어 사용
웹서버
운영체제: Linux
Http서버: Apache
개발언어: PHP
데이터베이스 서버 MySQL
알림 서버 GCM(Google Cloud Messaging)이용

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시스템 구성도 (1/4) - 하드웨어
• 하드웨어 구성
1) 클라이언트인 안드로이드 스마트폰
2) 데이터베이스 구축 및 HTTP통신으로 값을 전달할 PHP 웹서버
3) 스마트도어락의 기능을 위한 아두이노 기반의 도어락
4) 정보를 받을 수 있는 GCM(Google Cloud Messaging) 사용
- 사용자 정보, 메시지 정보, 키 정보, 로그 정보(방문기록)
• 도어락 동작 방식:
• 1)의 스마트폰에서 보내오는 비밀번호와
• 3)의 도어락에 설정된 비밀번호를 비교하여 일치하면 도어락을 연다.
• 2)를 통해 알림메시지와 가상열쇠, 출입관리, 멤버등록 등을 설정할 수 있다.
• 4)를 통해 나열된 정보들을 기기에서 PUSH메시지로수신 받을 수 있다.

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시스템 구성도 (1/4) - 하드웨어

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시스템 구성도 (1/4)
• (앞 페이지의) 가상열쇠 = 도어락을 열 수 있는 암호정보
• => 가상열쇠가 스마트폰이 아닌 암호화되어 데이터베이스에 저장되어
야 함

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시스템 구성도 (2/4) - 메뉴구성
• APP은 맨 처음 로그인 및 회원가입을 할 수 있는 페이지로 시작된다.
• 관리자로써 문을 등록하는 과정 (새로운 키 등록, New Key Information)
• 블루투스의 MAC주소를 입력받고 암호를 설정
• 등록된 문 관리
• 방문기록
• 열쇠를 허용한 사용자 목록
• 허용할 사용자 추가를 통해 허용에 관한 설정을 해줄 수 있는 페이지로 전환
• 해당 도어락의 위치
• 메인페이지
• 사용자 회원정보 수정
• 로그아웃
• 회원탈퇴
• 도어락에 메시지남기기
• +@로 개발자 정보

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시스템 구성도 (2/4) - 메뉴구성
문 등록관련
등록된 문 관리
메인 페이지

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시스템 구성도 (3/4) – 시스템 주요 기능
• 1) 블루투스를 이용한 도어락 연결
- MAC주소와 비밀번호가 DB에 저장되었다고 가정
- 도어에 대한 AMC을 APP에서 DB로부터 불러와 저장
- (여는 과정) 주기적으로 주변의 BLE장치를 스캔
- APP에 저장된 MAC주소가 스캔한 장치의 MAC주소와 일치하는지 판단
- 일치하면 도어락 비밀번호를 GATT통신으로 전송하여 도어락 잠금해제

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• 2) 사용자간의 열쇠 공유
- 관리자가 로그인
- DB에 사용자계정과 해당 도어락의 MAC주소를 추가한 레코드를 생성
- 사용자이므로 레코드에서 관리자 필드값은 false
- 열쇠 공유시에 허용기간을 지정할 수 있음

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• 3) GCM을 통한 출입 알림
- PUSH 메시지 서비스를 사용하기 위함.
- 도어락이 열림과 동시에 APP은 웹서버와 통신한다.
- 열린 도어락의 MAC주소 관리자 (주: 도어 관리자)를찾음
- 관리자에게 알림을 위한 PUSH 메시지를 GCM에 요청
- GCM에서 등록된 기기로 메시지 PUSH

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/*
GCM을 사용하는 이유:
어플리케이션마다 독자적인 PUSH 서비스를 구현하게 되면
데이터 처리량도 많아지고 최적화 개념에서 멀어지게 된다.
따라서, native push 기능을 활용하여 대행 처리하는것이 좋으며
android의 경우 Google Cloud Messaging 이라는 GCM서비스를 제공.
*/

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시스템 구성도 (4/4) – 알림 메시지 전송과정
도식 설명에 앞서, GCM은 PUSH메시지 전송을
위해 프로젝트에 대한 ID(reg ID)를 부여해준다.
• 개인적인 판단으로,
1~4는 초기에 발급받는 과정
5~7은 실제 push메시지 전송과정
으로 추정
• Message Sender는 Web서버 및 DB서버를
통틀어서 표현함으로 가정하고 이해

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1) APP에서는 PUSH서비스를 받기 위해 reg
ID를 요청한다.
2) GCM으로 부터 해당하는 프로젝트의 reg ID
를 생성해주고 정보를 응답해준다.
3) 전달받은 reg ID를 웹 서버에 전송한다.
4) 웹서버는 전송받은 reg ID를 DB에 저장한다.

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5) reg ID와 메시지를 GCM으로 전송
6) GCM은 기기 APP으로 메시지 전송
7) GCM은 서버로 정상적으로 메시지를
보냈다는 의미로 ACK응답을 전송.

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시스템 활용방안 (1/3)
• 1) 핸즈프리 방식의 도어락
- 스마트폰이 문에대한 열쇠가 됨
- 손이 자유로운, 핸즈프리방식으로 문 일정거리에 다가서면 문이 저
절로 열림
- Wi-Fi대신 BLE로
- 128bit AES암호화로 값을 저장

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• 2) 애플리케이션을 통한 완전한 제어
- 제어는 APP을 통해 이루어지며, 열쇠는 물리적으로 어떠한 흔적도 남기
지 않는다.
• APP사용으을 통해 아래와 같은 3가지 기능을 수행가능
- i) 새로운 방식으로 열쇠를 주고 받음
- ii) 도어락에 장착된 센서의 알람을 스마트폰으로 받을 수 있음
- iii)출입허가된 인원중 누가 출입했는지 기록

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• i) 새로운 방식으로 열쇠를 주고 받음
- 비밀번호나 출입카드 양도와는 다른 방식
- 출입을 허가할 사람을 데이터베이스에 등록
- 허가에대한 유효기간만 지정해주면 됨
- 특정사용자의 도어락 사용을 취소하는 것도 APP에서 간단하게 가능

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• ii) 도어락에 장착된 센서의 알람을 스마트폰으로 받을 수 있음
- 출입시 알람을 받을 수 있다.
- 여러 센서가 달려서 사용자에게 유의미한 정보를 실시간으로 제공
- 특정온도가 올라가거나, 문앞에 특정사람이 일정시간 서성거리면 스마트폰으로
알려줌
- 적용시 도어락이 무거워지고 본 논문의 개발 취지랑은 부합하지 않음

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• iii)출입허가된 인원중 누가 출입했는지 기록
- 출입에 대해 정확한 날짜와 시간 모두가 기록
- 관리자가 유의미한 정보를 제공 받을 수 있음
- 특정 사용자에게 메시지를 전달하는것도 가능
- 텍스트 메시지는 시각장애인 등을 위해 음성으로도 수신 가능

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• 3) 사물인터넷 디지털 도어락, DDiT의 제품적 특성
• 기존에 디지털 도어락에 부착해서 사용할 수 있는 부착형 형태
• 기존의 디지털 도어락에서 사용할 수 있는 여는 방식과 더불어 추가적인 방법이 제공되는 것
• Ex) 기존 비밀번호, 카드, 지문으로 여전히 출입가능
• 도어락을 대체하기 위해 사용되는 비용이 없음
• 스마트폰 APP을 활용하는 방식
• 거의 모든 사람들이 스마트폰을 사용하고 있는 환경
• APP을 통하여 사용하므로 일반 가정 뿐 아닌 다양한 분야에서 사용 가능
• 숙박업체, 연구실, 회사 등에서 활용 가능
• 신체가 불편한 장애인들도 손쉽게 문을 열고 닫을 수 있음

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결론 및 향후 연구방향

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결론 및 향후 연구방향 (1/3)
• 사물인터넷을 이용한 디지털 도어락 DDiT 개념적 요약
- 제어를 위해 마이크로 컨트롤러 플랫폼인 아두이노를 이용
- 기존의 디지털 도어락에 부착해서 사용할 수 있는 형태
- 스마트폰 APP을 통해 여러 기능을 수행할 수 있음

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• APP을 사용함으로써 다양한 기능 수행 가능
- 디지털 도어락과의 페어링을 통해 디지털 열쇠를 저장
- 이 열쇠를 사용하여 손을 사용하지 않고 문을 열고 닫는다
- 가족, 친구, 집을 방문하는 누구에게나 APP을통해 열쇠를 주고 받을 수 있음
- 한 번 전달하면 평생쓸 수 있는 열쇠부터, 특정 기한을 지정한 열쇠까지 열쇠의 속성을 지정할 수 있음

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• 열쇠를 획득하고 보관하는데 있어 128bit-AES 암호화 알고리즘을 사용하여 보안상의 문제점을 해결
• DDiT는 가정집 뿐 아닌 숙박업, 연구실, 회사 등 보안을 필요로 하는 장소에서 활용될것을 관망

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결론
• 연결의 주체를 바꾸는 것은 매우 참신
• 스마트폰을 이용하여 다양한 기능도 수행 가능
• But,
• 원거리 통신을 사용하지만
도어락의 잠금이 해제되는 것이지 실제 문이 열리는 것은 아님
• 스마트폰을 잃어버린 사람이 문의 관리자라면 어떻게 할지?
• 사용자 관리와 로드 밸런싱을 위해 중간 웹 서버와 DB서버 이원화까지 필요
-> 메신저를 기반으로 하는 제어 시스템 개발을 염두

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결론 및 향후 연구방향
QnA
감사합니다

비교논문 분석 - 디지털 IoT 도어락 DDiT

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