사물 인터넷 시스템
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초연결이라는 용어는 2008년 미국의 IT 컨설팅 회사 가트너(The Gartner Group)가 처음 사용했다. 초연결 사회는 인간과 인간, 인간과 사물, 사물과 사물이 네트워크로 연결된 사회이며, 우리는 이미 초연결 사회에 진입해 있다. 초연결은 제4차 산업 혁명 시대를 설명하는 특징 중 하나로, 다양한 사물이 마치 거미줄처럼 촘촘하게 사람과 연결되는 사회를 말한다. 초연결 사회는 사물 인터넷(IoT)을 기반으로 구현되며, 사회 관계망 서비스(SNS), 증강 현실(AR) 같은 서비스로 이어진다.
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초연결 사회에서 사람의 역할은 무엇이며 어떤 점이 중요해질까?
초연결 사회가 가져올 우리의 미래 생활은 어떤 모습일까?
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사물 인터넷의 이해
사물 인터넷의 개념
사물 인터넷(IoT; Internet of Things)
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• 사물 인터넷의 개념을 이해할 수 있다.
• 사물 인터넷의 구성과 동작 원리를 분석할 수 있다.
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01. 사물 인터넷의 이해
사물 인터넷의 구성과 동작 원리
① 사물 인터넷의 구성 요소
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01. 사물 인터넷의 이해
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01. 사물 인터넷의 이해
GPS 범지구 위치 결정 시스템으로 여러 대의 위성을 이용하여 수신 가입자의 위치를 결정하는 시스템
RFID 사물에 고유 코드가 기록된 전자 태그를 부착하고 무선 신호를 이용하여 해당 사물의 정보를 인식·식별하는 기술
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01. 사물 인터넷의 이해
② 사물 인터넷의 동작 원리
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01. 사물 인터넷의 이해
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사물 인터넷을 이용하여 스마트 시티 구축하기
주변에서 사용되고 있는 사물 인터넷 서비스를 찾아보고 서비스에 사용되는 디바이스, 네트워크, 플랫폼의 역할에 대해 조사해 보자.
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서비스 | 디바이스 | 네트워크 | 플랫폼의 역할 |
버스 도착 시간 알림 | 버스 현재 위치 측정기 | GPS | 버스의 현재 위치와 정류소 간의 거리 계산 |
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스마트 치안 안전 솔루션
블랙박스
무선, GPS
사고 위치 전송 및 협조 요청, 전송받은 영상 분석
스마트 소화전
수압, 온도, 소방용수 등의 정보를 측정, 전송 가능한 소화전
무선
소화전의 정보가 전송되어 관리
차세대 지능형 교통 시스템
카메라
무선
교통 정보를 분석하여 원활한 이동 경로 안내 및 사고 예방
스마트 시티를 위한 새로운 사물 인터넷 서비스를 구상해 보고 사용될 디바이스, 네트워크, 플랫폼의 역할에 대해 적어 보자.
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서비스 | 디바이스 | 네트워크 | 플랫폼의 역할 |
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지능형 폐기물 관리
채움 상태 측정 및 전송 가능한 쓰레기통
무선, GPS
쓰레기 수거 필요 지역 파악
야생동물의 로드킬 방지
비전 센서 및 카메라
무선
야생동물의 움직임을 감지하여 운전자에게 경고
공원과 녹지의 관리
온습도, 토양, 빛 센서 및 카메라
무선
식물 상태 모니터링 및 관리
응급 상황 대응 시스템
화재, 가스 감지 센서 및 응급 버튼
무선, GPS
응급 상황 감지 후 대응기관에 연락
내가 구상한 새로운 사물 인터넷 서비스를 적용한 스마트 시티를 스케치해 보자.
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아침에 집을 나서서 학교를 향해 걷다 보면 인공지능 기술이 결합된 스마트 횡단보도를 건너야 한다. 사람이 감지되면 오래 지나지 않아 신호등이 켜지고 차들이 멈춰선다. 차량의 속도를 표시해 주고 바닥에 LED를 켜줌으로써 사고를 예방해 준다. 도로에 설치된 센서들은 실시간으로 교통 상황을 체크하고 도로의 출근길 비상 상황을 안내한다. 학교 가는 길에 있는 공원은 IoT 기술로 토양, 수분, 온도 등의 상태가 실시간으로 관리되면서 녹지 상태가 좋아졌다. 도시의 곳곳에는 응급 호출 버튼이 배치되어 시민들의 갑작스런 응급 상황에도 구조대가 올 수 있다.
사물 인터넷으로 인한 변화
사물 인터넷 기술로 인한 생활의 변화
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사물 인터넷 기술로 인한 개인
의 삶과 사회 변화를 예측할
수 있다.
사물 인터넷 기술로 인한 사회의 변화
수많은 데이터를 생성하고 수집하여 더 나은 의사 결정을 내림
생산 과정을 자동화하며 단순 반복적인 노동을 기계가 대신함
원격 근무나 네트워크를 활용한 협업 등의 모습이 일상화
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02. 사물 인터넷으로 인한 변화
디지털 트윈 현실 세계의 기계나 장비, 사물 등을 컴퓨팅 시스템을 활용하여 가상 세계에 구현한 것
사물 인터넷으로 변화하는 나의 미래 탐색하기
관심 분야 직업에서 사물 인터넷 기술이 적용되고 있는 사례를 조사하고, 관심 분야에서 사물 인터넷 기술로 인해생겨날 수 있는 미래 직업을 찾아보자.
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관심 분야 직업 | 반려동물과 관련된 직업 |
사물 인터넷 기술로 변화한 사례 | |
사물 인터넷 기술로 인해 생길 수 있는 직업 | |
아이돌과 같은 공연 예술 분야
증강 현실(AR)이나 가상 현실(VR) 콘텐츠로 공연이나 팬 미팅을 할 수도 있고, 홀로그램 공연을 구현할 수도 있다.
LED 조명 등으로 다양한 효과를 구현한 스마트 의상 디자이너, 아이돌과 팬들의 상호 작용 데이터 분석가, 사물 인터넷 기술을 활용한 공연 기획자
내가 희망하는 직업의 미래 모습을 상상해 보고, 내가 키워야 할 역량, 필요한 자질 등에 대해 탐색해 보자.
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공연 예술 분야에도 인공지능, 사물인터넷 등 다양한 기술을 활용하여 독특하고 혁신적인 공연과 서비스를 기획할 수 있을 것이다.
새로운 기술을 배우고 기존의 공연에 적용할 수 있어야 한다.
음악적 재능과 실력, 무대 퍼포먼스를 위한 다양한 기술과 연습이 필요하다.
기본적으로 끊임없이 노력하는 성실함이 필요하며 팀워크와 협업 능력, 팬들과의 소통 능력도 중요하다.
다양한 활동에서 언어를 사용하므로 한국어뿐 아니라 외국어에 능통하면 유리하다. 또한 음악적 능력과 무대 연기, 춤 등의 수업이 도움이 된다.
아이돌이 되기 위한 다양한 경로를 탐색하고 다방면으로 노력하고 도전하는 자세가 필요하다.
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사물 인터넷 시스템 설계
사물 인터넷 시스템과 피지컬 컴퓨팅
① 센서
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문제 해결에 적합한 장치를 선택
하여 사물 인터넷 시스템을 설계
할 수 있다.
② 마이크로컨트롤러
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03. 사물 인터넷 시스템 설계
목적에 따른 마이크로컨트롤러 보드 선택
• 마이크로비트 교육용에 특화된 개발 보드
• 아두이노 센서, LCD, 모터와 같은 외부 제어에 더 적합
• 라즈베리 파이 복잡한 수치 계산과 카메라, 비디오 등 그래픽 처리에 적합
③ 액추에이터
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다양한 센서 조사하기
다양한 센서의 종류와 활용 사례를 조사해 보자.
조사한 센서를 활용하여 사물 인터넷 제작 아이디어를 제안해 보자.
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센서의 종류 | 센서의 기능 | 센서를 활용한 사례 |
인체 감지 센서 | 사람의 몸에서 방출하는 적외선이 센서에 닿으면 전압으로 출력되어 움직이는 사람을 인식하게 된다. | 움직이는 사람이 감지되면 경보가 울린다. |
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가스 센서
표면에 가스와 만나면 연소하는 물질을 입혀 가스와 접촉 했을 때 온도의 상승 정도로 가스의 농도를 측정한다.
가스의 유출 유무와 정도를 파악하여 경보를 울린다.
집에 사람이 침입하면 집 주인에게 신호를 전송하고 경보를 울리게 한다.
가스가 사용되는 공간에 설치하여 가스가 유출되면 실시간으로 정보를 전송하여 안전사고를 예방한다.
사물 인터넷 시스템으로 문제 해결하기
■ 횟수를 세어 주는 운동 기구 만들기
① 문제 발견과 사물 인터넷 시스템 구상하기
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03. 사물 인터넷 시스템 설계
② 피지컬 컴퓨팅 시스템을 이용하여 문제 해결하기
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03. 사물 인터넷 시스템 설계
③ 프로그램 작성하기
➊ [새 프로젝트]를 클릭하고 프로젝트 이름을 ‘줄넘기’로 입력한 후 [생성]을 클릭
➋ 줄넘기의 움직임을 감지하는 상태를 저장하는 [감지] 변수와 줄넘기의 움직임 횟수를 저장하는 [횟수] 변수를 만듦
➌ A 버튼을 누를 때 [감지] 변수에 ‘참’을 저장하고 [횟수] 변수를 ‘0’으로 초기화하여 준비 상태를 만들며, B 버튼을 누를 때 [감지] 변수에 ‘거짓’을 저장하여 동작을 멈춤
➍ [감지] 변수의 값에 따른 동작을 무한 반복하며, [감지] 변수의 값이 ‘참’이면 아이콘을 출력하여 감지 상태임을 표현하고 가속도 센서 x축의 값이 500을 초과할 때 [횟수] 변수의 값을 ‘1’씩 증가
➎ [감지] 변수의 값이 ‘거짓’이면 [횟수] 변수에 저장된 줄넘기의 최종 움직임 횟수를 출력
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03. 사물 인터넷 시스템 설계
■ 집 밖에서 집 안의 LED 조절하기
① 문제 발견과 사물 인터넷 시스템 구상하기
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03. 사물 인터넷 시스템 설계
② 피지컬 컴퓨팅 시스템을 이용하여 문제 해결하기
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03. 사물 인터넷 시스템 설계
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03. 사물 인터넷 시스템 설계
③ 프로그램 작성하기
➊ 왼쪽 편집기에서 [새 프로젝트]를 클릭하고 프로젝트 �이름을 ‘집밖’으로 입력한 후 [생성]을 클릭
➋ LED 상태 저장 변수 [LightOn]을 만듦
➌ [LightOn] 변수에 ‘0’을 저장하여 초기화하고 라디오 �통신을 위해 라디오 그룹을 ‘25’로 설정
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03. 사물 인터넷 시스템 설계
➍ A 버튼을 누를 때 [LightOn] 변수에 LED가 켜짐을 의미하는 ‘1’을 저장�2행 2열 LED를 켜서 집안의 LED 상태를 표시한 후 [LightOn] 변수의 값을 라디오 통신으로 전송
➎ B 버튼을 누를 때 [LightOn] 변수에 LED가 꺼짐을 의미하는 ‘0’을 저장�LED를 모두 지운 후 [LightOn] 변수의 값을 라디오 통신을 통해 전송
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03. 사물 인터넷 시스템 설계
➊ 오른쪽 편집기에서 [새 프로젝트]를 클릭하고 프로젝트 이름을 ‘집안’으로 입력한 후 [생성]을 클릭
➋ 시작하면 라디오 그룹을 ‘25’로 설정하여 초기화
➌ 라디오 숫자 수신시 값은 [receivedNumber] 변수에 저장� [receivedNumber] 변수의 값이 ‘1’일 때는 LED 전체를 켜고 [receivedNumber] 변수의 값이 ‘0’일 때는 LED를 모두 지움
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외부 센서 활용하기
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알고리즘 설계
회로 연결
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• LED를 연결하기 위해서는 적절한 저항을 추가해 주어야 하며 전류의 흐름을 고려해야 한다. LED의 (+)극에 저항 220Ω을 연결한다.
• 마이크로비트 핀 1번에 높은 전압(3V) 신호를 주면 전류가 GND(0V)로 흐르며 LED에 불이 켜지게 된다.
• 핀 1번에 낮은 전압(0V) 신호를 주면 GND와 전압의 차이가 없어 전류가 흐르지 않아 LED에 불이 꺼지게 된다.
• 3색 LED는 저항을 모두 연결해야 하는 부품도 있고 모듈 형태로 만들어져 편리하게 사용할 수 있는 부품이 있다.
순서도와 프로그램 작성
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자기 주도 예시: 빛의 양에 따라 다른 색 출력
빛의 양이 50보다 작을 때 파란색, 50 이상이고 160보다 작을 때 초록색, 160 이상일 때 빨간색 빛이 켜지도록 한다. 한 가지 색만 켜기 위해서는 다른 색의 LED는 반드시 꺼주어야 한다.
사물 인터넷 시스템 포트폴리오 만들기
사물 인터넷 기술이 제품 또는 산업에 적용된 사례를 조사해 보자.
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제품 또는 산업 | 사물 인터넷 기술 적용 사례 |
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장애인 돌봄
분야
교육 분야
관광 산업
사물 인터넷 기술을 적용하여 몸이 불편한 장애인들을 도와주는 제품을 개발한다. (스마트 보청기, 길 안내, 음성 인식 가전제품)
책상에 센서를 설치하여 출석을 모니터링하고 학교 건물의 에너지 사용량을 제어하거나 학교 곳곳의 위험 징후를 감지하여 경고를 보낼 수 있다.
챗봇을 활용하여 여행 예약을 하고 안면 인식 정보로 출국을 하거나 호텔에 체크인을 할 수 있다.
자신의 관심 분야 중에서 사물 인터넷 기술이 적용된 사례를 찾아 적어 보자.
모둠을 구성하여 활동 1, 2에서 조사한 내용을 이야기 나눈 후, 주변에서 사물 인터넷 기술을 적용할 수 있는 공간이나 물건을 찾아보고 아이디어를 모아 포트폴리오를 만들어 보자.
① 사물 인터넷 기술을 적용할 수 있는 공간이나 물건을 찾고 아이디어를 정리한다.
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관심 분야 | |
사물 인터넷 기술이 적용된 사례 | |
장애인 돌봄 분야
1. 초인종이 울리면 스마트폰에 현관 화면이 떠서 움직이기 힘든 장애인들이 누가 방문했는지 쉽게 알 수 있다.
2. 지하철 역 바닥에 설치한 스마트 점자블록과 센서를 활용하여 시각장애인의 위치를 정확히 파악하고 길 안내를 돕는다.
공간 또는 물건 | 숙박 시설 |
아이디어 | 안면 인식 정보를 이용하여 객실 문을 연다. |
스마트 신호등
사람의 움직임을 인식하여 보행 신호나 정지 신호로 바꾼다.
② 아이디어를 구현하기 위해 필요한 센서와 액추에이터의 동작 과정을 설계하고 정리하여 포트폴리오를 만든다.
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필요한 센서 | 인공지능 카메라 센서 |
센서의 기능 | 사람의 얼굴을 읽어 얼굴 특징이 변하는 곳의 데이터를 저장, 분석한다. |
수집하는 데이터 | 눈과 눈썹, 코와 입, 턱 등 얼굴 특징이 변하는 곳의 데이터 |
데이터 처리 과정 | 수집한 데이터와 기존에 저장된 얼굴 데이터를 비교 분석하여 일치 여부를 판단한다 |
출력 결과 | 카메라로부터 받은 결과가 ‘일치’이면 문을 열고 ‘불일치’이면 경고 메시지를 보낸다. |
다른 기기와의 연결 | 카메라에서 객실 문에 얼굴 일치 여부를 무선으로 전달한다. |
기대 효과 | 체크인에서 열쇠를 받는 과정이 줄어 시간이 절약되고 분실 위험이 줄어든다. |
인체 감지 센서
사람의 몸에서 방출하는 적외선이 센서에 닿으면 전압으로 출력되어 움직이는 사람을 인식하게 된다.
사람의 존재 여부
일정 시간 동안 사람의 존재 여부를 판단하여 정보를 전송한다.
사람이 존재하면 보행 신호, 존재하지 않으면 정지 신호를 켠다.
센서로부터 LED에 정보를 전달한다.
사람이 있을 때만 보행 신호를 켜서 사람의 기다림을 줄이고 차량의 흐름에도 도움이 된다.
③ 적절한 피지컬 컴퓨팅 도구를 선택하여 실제로 구현해 본다
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센서 | 마이크로컨트롤러 | 액추에이터 |
인공지능 카메라 | 마이크로비트 | 모터 |
인체 감지 센서
마이크로비트
LED
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40
40
40
40
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스마트홈 장치는 거주지에 대한
정보를 수집하고 의료 기기는 건강
상태에 관한 민감한 정보를 저장
하는데 이는 개인 정보 유출의
위험성을 증가시킨다.
사물 인터넷의 발전은 개인 정보 침해나 보안 위협을 완전히 피할 수 없다는 사실을 인정해야 한다. 기술의 발전은 항상 새로운 위험과 도전을 야기하며, 이를 완전히 제거하기는 어렵다. 그럼에도 불구하고 사물인터넷의 발전은 우리의 삶을 편리하고 효율적으로 만들어주므로 발전을 제한하는 것은 옳지 않다.
사물 인터넷의 발전은 개인 정보 침해나 보안 위협을 완전히 피할 수 없다는 점을 고려하여야 한다. 여러 위험에 대처하기 위한 보안 및 개인 정보 보호 정책을 만들어야 한다.
정부와 규제 기관은 법률 및 규제를 제정하여 소비자의 개인 정보 보호를 강화하고 보안에 적합한 표준을 시행함으로써 사물 인터넷의 발전과 개인 정보 보호 간의 균형을 유지하는 수준으로 발전 속도를 조절해야 한다.