# 2023년 1학기 학교 수업에서 조별과제로 진행한 공동 프로젝트입니다.
참고하시거나 활용하시려면 출처를 반드시 남겨주세요!!
1. 작품 개발 목적
2023년 4월 8일 대전 서구 어린이 보호구역에서 음주운전 사고로 10살 어린이 1명이 사망하여 사회적으로 큰 파장이 일었다. 하지만 사건이 일어난 지 일주일도 되지 않은 4월 14일 오후 1시, 전국 431곳에서 주간 음주운전 단속 실시 결과, 어린이 보호구역에서 두 시간동안 55건의 음주운전이 적발되었다.[1] 또한, 경찰청의 조사에 따르면 음주운전 재범률은 마약 재범률보다 높게 나타난다.[2] 이는 사람들의 음주운전에 대한 경각심이 낮으며 단지 운이 없어서 걸렸다고 인식하는 습관적 음주운전자도 있음을 의미한다. 현재 음주운전을 방지할 여러 법안들이 발의되고 처벌이 강화되는 등 조치를 취하고 있으나 이러한 조치들은 사후 조치에 불과하여 음주운전을 근절하기 위한 근본적인 해결책이 되지 못한다. 음주운전 예방장치들이 시중에 존재하지만, 현존하는 음주운전 예방장치들은 차량 시동을 제어하므로 가격이 비싸 도입하기 어렵다. 해당 프로젝트는 음주운전 예방장치를 보편화 할 수 있도록 비교적 저렴한 아두이노를 활용해 단가를 낮추며 음주 상태에서는 차량을 주행할 수 없도록 하여 음주운전 사고를 줄일 수 있는 예방장치를 만들고자 한다.
2. 작품 구성
fritzing 프로그램*을 활용하여 전체 작품 회로도를 작성하였다.
회로도 상에서 볼 수 있듯, 해당 프로젝트는 음주 상태를 확인하는 알코올 측정센서(MQ-3), 음주 상태를 확인 보완을 위한 습도센서, 직접적인 기어변속기 제어를 하는 리니어 액추에이터, 액추에이터의 동작을 제어하는 2채널 릴레이 모듈, 기어변속기 상태를 확인하는 거리측정센서 (VL6180X)을 사용하였다.
3. 부품 설명 및 동작원리
3.1. 온습도 센서
온습도 센서는 아날로그 입력 핀을 가진 센서이다. 온습도 센서는 센서 주변의 섭씨 온도와 습도를 측정한다. 사람이 입김을 불었을 때, 온습도 센서는 체온과 비슷한 섭씨 약 30도의 온도가 측정되며 입김 내 수분으로 인해 온습도 센서 주변의 습도도 변한다.
3.2. 알코올 센서 (MQ-3)
알코올 센서**는 아날로그 핀과 디지털 핀을 모두 가지고 있다. 이 중, 아날로그 핀의 감지 값을 사용하여 알코올 여부를 감지한다. 실시간으로 들어오는 알코올의 농도를 측정하여 3초 동안의 알코올 측정 값의 변화량이 50 이상 일 때 알코올이 있다는 것으로 판단하고, 50 이하이면 알코올이 없는 것으로 판단한다.
3.3. 리니어 액추에이터
리니어 액추에이터는 외부전원과 2채널 릴레이 모듈***을 이용해서 동작한다. 2채널 릴레이 모듈의 채널1의 상태가 HIGH, 채널2의 상태가 LOW일 때 액추에이터가 전진, 채널1의 상태가 LOW, 채널2가 HIGH일 때 후진, 나머지 경우에는 동작하지 않는다.
3.4. 2채널 릴레이 모듈
릴레이 모듈의 두 채널 NC핀에 외부전원의 +극, NO 핀에 -극을 연결하고, 채널 각각의 COM핀에는 액추에이터의 두 극을 연결한다. 채널의 입력 핀 각각 1개씩 아두이노 보드의 디지털 핀에 연결하여 채널1과 채널2를 구별한다.
3.5 거리측정센서 (VL6180X)
레이저 센서는 센서와 물체 사이의 거리를 측정하는 센서이다. 센서 중심에 위치한 센서부에서 투사된 빛이 발사되어 돌아오는 시간(ns)을 측정한다. 측정된 시간과 빛의 속도를 곱해 거리를 구한다.
4. 제어방법
4.1 전반적인 제어방법
해당 프로젝트 최종 작품은 초기에 리니어 액추에이터가 전진하여 기어변속기가 P(주차)상태를 유지하도록 고정하고 알코올 감지 센서를 예열 한다. 이후, 4가지 단계들의 반복으로 작품이 동작한다.
① 입김 감지 단계 -운전자가 입김을 불었는지 확인하며 대기한다. 입김을 분 경우에만 다음 단계로 넘어간다.
② 음주상태 확인 단계- 입김을 분 시간 동안의 알코올 농도 차이를 측정하여 운전자의 현 상태를 파악한다.
②기어변속기 잠금/해제 상태 제어 단계 -운전자의 현 상태에 맞춰 기어변속기의 잠금/해제 상태를 제어한다.
③기어변속기 상태 재확인 후 재진입 단계 - 기어 변속기 상태를 체크해 주차(P)상태-> 기어 변속기를 잠금 제어
4.2 사용자의 입김 여부 확인 단계 제어방법
사용자가 입김을 불었는지 확인하기 위해 온습도 센서를 사용한다. 본 최종 작품은 온습도 센서를 상시 감지하도록 설정하고, 약 3초간의 온도 변화가 2 ℃이상이거나 습도가 2% 포인트이상 변화할 때 입김을 불었다고 인지하여 다음 단계로 넘어가게 해준다. 온도와 습도의 변화가 기준보다 작으면 일상생활 속 변화로 간주하여 지속적으로 감지를 진행한다.
4.3. 사용자의 입김 속 알코올 여부 확인 단계 제어방법
사용자의 입김 속 알코올이 있는지 여부는 알코올 센서(MQ-3)를 통해 감지한다. 알코올 센서는 아날로그 입력 핀을 가지고 있어 알코올 함량을 인식한다. 3초간 입김을 불 때 초기 알코올 함량과 3초 후의 알코올 함량의 차이가 50 이상이면 음주상태로 파악하고 50 이하이면 정상 상태로 파악한다.
4.4. 기어변속기 제어 단계 제어방법
음주상태일 경우, 초기 상태인 리니어 액추에이터가 전진한 상태를 계속 유지한다. 정상 상태일 때에만 초기 전진한 리니어 액추에이터가 후진하여 기어변속기 잠금을 해제한다.
4.5. 기어변속기 상태 체크 단계 제어방법
기어변속기의 상태를 레이저 센서로 지속적으로 체크하여 레이저 센서가 감지한 기어 변속기와의 거리가 10cm이하로 일정 시간 유지되면 기어변속기는 P상태에 있는 것으로 인식하고 리니어 액추에이터를 다시 전진시켜 기어변속기를 잠근다. 거리가 10cm이상일 경우에는 자동차가 주행 중으로 파악하여 리니어 액추에이터를 동작시키지 않는다.
5. 작품 기대효과 및 활용분야
5.1 . 작품 기대효과
본 작품을 도입하게 되면 크게 세가지를 기대할 수 있다.
① 음주 운전으로 인한 사고 발생률을 감소시킬 수 있다. 본 작품은 음주 상태에서 차량 기어 변속을 할 수 없게 하여 차량 운행을 방지한다. 음주 상태의 운전을 방지할 수 있으므로 음주운전 확률을 감소시킨다.
② 마약 재범률보다 높은 음주운전자의 재범률을 급격하게 감소시킬 수 있다. 음주운전자가 재범을 하게 되는 이유는 음주운전 적발 시 처벌이 약하기 때문이다. 숙취로 인사불성 상태가 된 사람이 고의로 운전을 하였다고 보기 어려워서 음주운전 적발 시 처벌이 약하다. 그러나, 본 작품을 도입하면, 설령 음주상태에서 무의식적으로 운전대를 잡더라도 운행을 할 수 없으며, 본 장치를 제거하거나 훼손하여 운전을 할 경우, 운전을 하고자 하는 의지가 있는 것으로 파악할 수 있어 음주운전의 처벌 수위를 높일 수 있고 처벌 수위가 강화되면 음주운전자의 재범률의 감소를 기대할 수 있다.
③ 본 장치의 도입은 건전한 음주문화 형성에 도움이 된다. 음주운전 사고가 빈번하게 발생함에 따라 국내 음주문화 자체를 부정적으로 바라보는 시선들이 존재한다. 그러나 음주문화와 음주운전은 별개이므로 음주운전 발생률을 줄이게 되면 건전한 음주 문화를 형성하는 데 도움이 된다.
5.2. 작품 활용 가능 분야
프로젝트로 진행한 최종 작품은 자동차 산업에서 활용될 수 있다. 자동차 기업에서 도입하게 될 경우 세 가지 측면에서 이익을 볼 수 있다.
① 생산되는 모델의 기어변속기와 차량 내부 디자인에 부합하게 변형이 용이하다. 동일 기업에서 생산하는 차량이라도 모델이 다르면 차량 내부 디자인이 다른데, 본 작품은 차량 내부 디자인에 맞게 변형되어 탑재할 수 있으므로 차량 디자인을 해치지 않고 동작할 수 있다.
② 시중 음주운전예방장치에 비해 비용이 저렴하다는 장점이 있다. 본 작품의 단가는 아두이노 우노의 가격을 포함하여 계산하면 대략 8만원 정도이다. 공장에서 부품들을 자체 생산한다고 하면, 단가는 더 감소할 것이다. 시중 음주운전예방장치의 경우, 시동을 제어하므로 가격이 250만원으로 비싸게 책정되어 있다. 그러나, 본 작품을 도입하면 동일한 효과를 내며 기존 상품 대비 96%의 비용을 절감할 수 있어 도입에 유리하다.
③ 자동차 기업의 브랜드 이미지를 향상하는 데 도움이 된다. 브랜드 이미지는 매출에 영향을 주게 되어 기업들은 브랜드 이미지를 관리하기 위해 많은 비용을 지출한다. 자동차 기업이 본 작품을 도입할 경우, 단순히 차량을 판매하는 기업이 아닌 차량으로 인해 발생하게 될 문제들도 고민하며 소비자와 상생하는 기업이라는 브랜드 이미지를 가질 수 있어 매출 상승에도 도움이 될 것을 유추할 수 있다. 저렴한 비용으로 브랜드 이미지를 향상시킬 수 있는 기회를 얻게 되므로 자동차 기업은 본 작품을 도입하면 이익을 얻을 수 있다.
*회로도의 경우, 처음에는 수업시간에 배운 Tinkercad를 활용해서 그림을 그리려 하였으나, Tinkercad의 경우 기본으로 제공되는 부품들만을 가지고 회로를 설계하고 시뮬레이션을 할 수 있는데, 해당 프로젝트에서 활용하는 알코올 측정센서(MQ-3)과 릴레이 채널 모듈이 없어 이에 대한 시뮬레이션을 할 수 없어 활용을 할 수 없었다. 따라서 확장성이 보장된 fritizing을 사용하였으나, fritizing 프로그램은 유료 프로그램이므로 무료 시험판으로 사용하였으며, 프로그램 시뮬레이션은 진행하지 않고 직접 구현 후 필드 테스트를 진행하는 방식으로 진행했다.
** MQ-3는 정확히는 가스 센서이므로 알코올 뿐만 아니라 다른 여러 기체에 대해서도 상호작용을 할 수 있다. 그러나, MQ-3가 반응하는 기체들을 살펴보면, 일반적으로 접할 수 있는 기체가 아니거나, 일상 속에서는 극히 소량으로만 측정되는 기체이므로 해당 프로젝트를 구성할 때에는 MQ-3으로도 원하는 알코올 감지를 할 있다고 보았다. 물론, 알코올만 감지하는 센서도 존재하지만, 알코올 특화 감지 센서는 MQ-3에 비해 가격이 비싸 기대효과인 음주운전 방지 기어변속제어장치 보편화에 걸림돌이 된다고 판단하여 가격도 저렴하고 어느 정도 이상의 성능을 낼 수 있는 MQ-3를 본 프로젝트에서는 사용하였다.
MQ-3의 동작과 관련된 자세한 내용은 MQ-3 Datasheet를 참고하길 바란다. https://datasheetspdf.com/datasheet/MQ-3.html
MQ-3 Datasheet - GAS SENSOR
Description HANWEI ELETRONICS CO.,LTD MQ-3 http://www.hwsensor.com TECHNICAL DATA MQ-3 GAS SENSOR FEATURES ...
datasheetspdf.com
***처음에는 1채널 릴레이 모듈로 진행하려 하였으나 1채널 릴레이 모듈의 이진법 0,1만으로는 리니어 액추에이터의 상태를 전진, 후진으로 구별할 수 없다. 즉, 리니어 액추에이터의 상태는 0,1 이진법이 아닌 전진,정지,후진으로 구성되어 있으므로 동작을 전진& 정지, 정지 & 후진으로 각각 제어해야 하므로 2채널 릴레이 모듈을 사용해야 한다.
6. 코드자료
첨부한 코드를 참고해주세요.
https://github.com/sunoopy/IOT_AlcoholDrivingprevention
GitHub - sunoopy/IOT_AlcoholDrivingprevention
Contribute to sunoopy/IOT_AlcoholDrivingprevention development by creating an account on GitHub.
github.com
[1] 23.04.25, 김경호 기자, ‘스쿨존 음주운전 어린이 사망’ 최대 징역 15년…시신유기·도주 26년’, 세계일보
[2]김도경. (2021). 음주운전 재범 가능성에 영향을 미치는 운전자 요인 분석. Crisisonomy, 17(7), 139-150.
[3] Elder, R. W. et al. 2011. Effectiveness of ignition interlocks for preventing alcohol-impaired driving and alcohol-related crashes: a community guide systematic review. American Journal of Preventive Medicine, 40(3), 362-376.