Module and Application to Prevent Cell Phone Use While Driving

운전 중 휴대폰 사용 방지 모듈 및 애플리케이션

Abstract

In this paper, we have developed a module that prevents a driver from using mobile phone while driving. The module is equipped with a vibration sensor to determine if the vehicle is running, a BLE module to transmit the status of the module and a speaker to transmit audible/unaudible sound to the mobile terminal where GUI application is installed. If the vehicle is judged to be moving, the application is activated and the touch function of the mobile phone is blocked. Other data are also transmitted depending on the state of the module, which informs forced module removal, battery failure, or sleep mode of the module.

Ⅰ. 서론

최근 스마트폰의 활용도는 무한대로 증가하고 있다. 언제 어디서든 스마트폰을 사용할 수 있어, 많은 사람들이 차량 주행 중 스마트폰을 사용한 경험이 있다. 통화나 문자 메시지 외에도 내비게이션과 지도, 카카오톡이나 기타 SNS 관련 애플리케이션을 이용한다. 다수의 운전자들이 운전 중 스마트폰 사용이 위험하다는 것을 알고 있지만 습관처럼 사용을 하고, 실제 경찰청의 년 통계 자료에의하면 휴대폰 사용 금지 위반으로 73,266건이 적발되었다. 주행 중 스마트폰은 전방주시 태만 등 안전 운전 불이행 뿐 아니라 과속, 신호 위반, 중앙선 침범 등의 법규 위반으로 인한 위험 상황을 유발한다 [1, 2]. 특히 장거리를 주행하는 버스 기사들의 스마트폰 사용률이 높아 더욱 심각한 인명 피해가 초래될 수 있다.

현재 도로교통법에 의하면 운전 중 휴대전화 사용을 금지하는 교통 법규로 운전자의 스마트폰 사용을 제한하고 있다. 그러나 버스 기사가 스마트폰을 사용하다 적발되어도 벌점 15점에 범칙금 7만원이 전부이다. 이렇듯 법규만으로는 운전자의 스마트폰 사용을 제한하는데 한계가 있다고 생각된다.

이에 따라 운전 중 스마트폰 사용을 제한하는 시스템이 많이 개발되고 있다. 미국 제너럴 모터스의 쉐보레는 콜 미 아웃 (Call Me Out)이라는 스마트폰 애플리케이션을 출시했다 [3]. 이 시스템은 스마트폰의 가속도계와 GPS를 사용해 운전 중 스마트폰이 사용되고 있는지 감지한다. 만일 스마트폰이 사용 중이라 판단되면 미리 녹음된 가족들의 음성이 재생되어 운전자 스스로 스마트폰을 끄게 한다는 개념이다.

또한 이스라엘의 한 보안업체인 셀레브라이터는 운전 중 휴대폰 사용 여부를 감지하는 기술인 텍스털라이저 (textalyzer)를 개발했다. 휴대폰 사용 여부를 감지하여 경찰은 교통사고에 연루된 운전자의 휴대폰 사용 여부를 현장에서 확인할 수 있다.

차량 운전 중 전방 주시를 분산시키고 교통사고 유발 가능성이 높은 음성 통화나 메시지 수신, 착신과 같은 휴대단말 사용 여부를 정확하게 감지할 수 있는 차량 운전 중 사용 감지 장치 및 방법 그리고 그를 구비한 휴대단말에 대한 발명도 진행되었다 [4].

하지만 이런 시스템들도 직접적으로 운전자의 스마트폰 사용을 제한하지는 않는다. 효과적인 제한을 위해서는 직접적, 물리적으로 스마트폰 사용을 방해하는 기술이 필요하다고 판단된다.

따라서 본 논문에서는 차량 주행 중 운전자의 스마트폰 사용을 직접적으로 방해함으로써, 스마트폰 사용으로 인한 교통사고를 예방하는 것을 목표로 한다. 차량이 주행 판단 모듈을 부착한 채로 주행을 한다면, 이 모듈의 신호로 사용자 스마트폰의 휴대폰 사용 방지 애플리케이션을 활성화시켜 스마트폰의 터치 기능을 강제로 차단하는 시스템을 개발하고자 한다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장은 시스템 동작 시나리오를 소개한다. 주행 판단 모듈이 차량의 주행 여부를 판단하고, 신호를 송신하는 방법을 설명한다. 3장에서는 주행 판단 모듈의 하드웨어 구성도와 시스템 흐름에 대해 설명한다. 4장은 실험 결과로, 차량이 주행 중이거나 주행 판단 모듈의 배터리가 부족하다는 등의 경우에, 주행 판단 모듈이 정확한 판단을 하고 적절한 신호를 보내는지를 실험한 결과이다. 음파의 주파수 측정 실험과 블루투스 신호 확인 실험으로 구분하였다. 마지막으로 5장에서 결론을 맺는다.

Ⅱ. 시스템 동작 시나리오

2장에서는 전체적인 시스템 동작을 설명한다. 주행 판단 모듈이 차량의 주행 여부를 판단하고, 신호를 송신하는 방법에 대해 소개한다. 그림 1은 전체적인 동작 시나리오를 나타낸다. 본 논문에서 개발한 주행 판단 모듈은 차량 내부에 부착되어, 설정된 시간 간격마다 휴대폰 사용 방지 애플리케이션을 실행시키는 신호를 음파와 블루투스 신호로 송신한다.

그림 1. 시스템 동작 시나리오

Fig. 1 System working scenario

휴대폰 사용 방지 애플리케이션이 설치된 사용자의 휴대폰은 내장 마이크 수신부를 통해, 주행 판단 모듈이 보내온 신호를 수신한다. 휴대폰 사용 방지 애플리케이션은 이 신호를 구분하여 휴대폰 터치 기능을 차단 및 해제하는 기능, 주행 판단 모듈의 동작 정보를 서버에 저장하는 기능 등을 수행한다.

1. 모듈의 신호 송신

먼저 주행 판단 모듈이 작동하면 일정 시간 간격으로 active 신호를 송신한다. Active 신호는 사용자의 휴대폰에 설치되어 있는 휴대폰 사용 방지 애플리케이션을 활성화시키는 신호를 말한다. 이 때, 신호는 음파 신호 또는 저전력 블루투스 신호이다. 신호가 음파 신호인 경우, 음파의 주파수를 조절하여 모듈의 상태를 구분한다. 신호가 저전력 블루투스 신호인 경우, 신호 내 데이터를 변경하여 주행 판단 모듈의 상태를 구분한다.

1.1 음파

본 논문에서 주행 판단 모듈은 자신의 상태를 알리기 위해, 내장된 스피커를 통해 가청 주파수 내의 음파를 출력한다. 가청 주파수는 인간의 귀가 인식할 수 있는 범위의 주파수이다 주파수 상으로 볼 때 수 십 ~ 20k Hz 정도까지의 주파수 대역이 이에 해당한다 [5].

주행 판단 모듈과 휴대폰 사용 방지 애플리케이션이 블루투스나 Wi-Fi 통신을 한다면, 운전자가 휴대폰에서 해당 기능을 차단하면 통신에 실패하게 된다. 반면 음파를 통해 통신할 경우, 휴대폰을 켜면 마이크 수신부가 자동으로 활성화되기 때문에 운전자의 의사와 상관없이 자동/강제로 음파의 감지가 가능하다. 즉, 운전자의 의사와 상관없이 주행 판단 모듈과 휴대폰 사용 방지 애플리케이션의 통신을 하게 하기 위해 음파를 사용하였다.

주행 판단 모듈의 상태를 정상 상태, 강제 탈거, 배터리 이상으로 구분하였다. 정상 상태란 모듈이 차량에 부착되어 있고 해당 차량이 주행 중인 상태를 말한다. 이 때 사람은 음파의 소리를 들을 수 없다. 대폰 사용 방지 애플리케이션에만 정보를 전달하기 위함이다.

강제 탈거란 주행 판단 모듈이 차량에 부착되어 있지 않고 탈착된 상태를 말한다. 운전자가 주행 판단 모듈을 사용하지 않을 목적으로 강제로 떼어냈을 경우이다. 주행 판단 모듈에는 스위치가 있어, 스위치가 닫혀있으면 주행 판단 모듈이 차량에 부착되어 있고, 스위치가 열려있으면 주행 판단 모듈이 차량에서 탈착되었다 판단한다.

배터리 이상 상태는 주행 판단 모듈의 배터리가 부족한 상태이다.

강제 탈거와 배터리 이상 상태일 경우, 휴대폰 사용 방지 애플리케이션에 전달할 정보를 담고 있는 동시에 사람이 들을 수 있는 경고음이 발생한다. 각각의 상태에 따라 19.5k Hz, 13.5k Hz, 16.5k Hz의 고주파 음파 10ms동안 출력된다. 본 논문에서는 차례로 active 신호, removal 신호, low-battery 신호라 칭한다. 표 1에서 다음을 나타낸다.

표 1. 모듈 상태 구분

Table. 1 Distinction of module status

음파의 주파수를 조절하기 위해 MCU (Micro Controller Unit)에서 PWM (Pulse Width Modulation, 펄스 폭 변조) 제어를 한다. PWM이란 일정한 주기 내에서 duty ratio을 변화 시켜 평균 전압을 제어하는 방법이다. duty ratio은 펄스의 한 주기 당 ON 상태의 시간 비율을 말한다. 평균 전압을 제어하여 주행 판단 모듈의 스피커에서 출력되는 음파의 주파수를 조절한다.

1.2 저전력 블루투스

블루투스는 디지털 통신 기기를 위한 개인 근거리 무선 통신 산업 표준이다. 2.4G Hz의 전파를 이용하여 단거리 데이터 통신 방식을 규정한다. 저전력 블루투스, 즉 BLE (Bluetooth Low Energy)는 블루투스 v4.0의 일부로, 력 소모를 최소화하고 배터리 수명을 연장하는데 중점을 둔 새로운 프로토콜이다.

상대적으로 적은 데이터 전송과 향상된 저전력 형태의 구조를 가지고 있다. BLE에서는 기존 통신 방식과 더불어, advertise mode가 추가되었다. Beacon의 핵심 원리로, broadcast mode 라고도 한다. 특정 디바이스를 지정하지 않고 주변으로 일방적인 신호를 전송한다. 이전 블루투스 장치와 달리 페어링 연결을 필요로 하지 않는다 [6, 7].

주행 판단 모듈과 휴대폰 사용 방지 애플리케이션의 통신을 위해, 음파 신호와 동시에 BLE 신호를 사용한다. 휴대폰의 마이크 수신부 혹은 음파 신호에 이상이 생길 경우에 대비하여 완성도를 높이기 위해 BLE 신호가 사용된다.

주행 판단 모듈의 상태에 따라 모듈은 음파와 동시에 BLE 신호를 전송한다 [8]. 모듈 상태에 따른 BLE 신호는 정상, 강제 탈거, 배터리 이상, 배터리 이상 및 강제 탈거 그리고 슬립 모드, 총 다섯 가지로 구분된다.

휴대폰 사용 방지 애플리케이션에서 beacon 신호를 수신 받아 특정 영역의 데이터를 판독함으로써 각각의 신호를 구별할 수 있다. 그림 2는 주행 판단 모듈의 상태에 해당하는 BLE 데이터를 설정하는 명령이다.

그림 2. 모듈 상태에 대한 BLE 데이터 설정

Fig. 2 BLE data settings for module status

2. 모듈의 차량 진동 감지

주행 판단 모듈 내부에 부착된 진동 센서는 가해지는 진동을 감지하여 사용자가 현재 운전 중인가를 판단한다.

진동센서가 진동을 감지하고, 휴대폰의 GPS 센서가 일정 속도를 넘어서면 자동차는 운전 중이라고 판단된다. 만약 일정 시간 동안 감지되는 진동이 없으면 현재 정차 중이라고 판단하고 주행 판단 모듈의 절약을 위해 슬립 모드에 돌입한다. 슬립 모드에서는 어떤 신호도 송신되지 않으며, 진동이 감지될 때만 정상 모드로 전환된다.

Ⅲ. 모듈의 구성

주행 판단 모듈은 신호를 송신하는 신호 송신부, 차량이 주행 중인 것과 주행 판단 모듈이 강제로 탈거되는 것을 감지하는 감지 센서, 휴대폰과 네트워크를 통해 통신하는 통신부 및 모듈의 상태에 따라 신호의 주파수를 제어하는 모듈 제어부로 구성된다.

1. 모듈의 하드웨어 구성도

주행 판단 모듈의 하드웨어 구성도는 그림 3과 같다. MCU는 ATmel사의 ATmega328로, 저전력 AVR 8-Bit 마이크로 컨트롤러이다. 음파 신호는 스피커를 통해 출력되고, BLE 신호는 BLE 모듈 HM-17에 의해 송신된다. 23개의 I/O 포트와 2개의 8-bit 타이머/카운터, 1개의 16-bit 타이머/카운터를 가지고 있으며, 8채널 10-bit A/D 컨버터가 내장되어 있다.

그림 3. 모듈의 하드웨어 구성도

Fig. 3 Hardware configuration of module

스위치는 I/O 포트에 연결되어 주행 판단 모듈이 차량에 부착되어 있는지, 탈착되었는지 확인할 수 있다. 배터리 이상을 감지하기 위해 A/D 컨버터에서 배터리 전압을 측정하여 잔량을 계산한다. 진동 센서는 외부 인터럽트 핀에 연결되어 측정된다. 스피커는 타이머/카운터의 출력 핀에 연결되어 있으며, PWM 신호를 출력하여 음파를 송신할 수 있다. BLE는 UART 통신을 위해 해당 핀에 연결된다.

2. 시스템 흐름도

그림 4는 주행 판단 모듈의 동작을 나타내는 시스템 흐름도이다. 주행 판단 모듈이 동작을 시작하면, 모듈에 내장된 진동 센서에 의해 일정 시간동안 감지된 진동이 존재하는지 판단한다. 일정 시간동안 진동이 감지되지 않는다면 모듈은 슬립 모드로 돌입한다. 슬립 모드에서는 진동이 감지될 때까지 주행 판단 모듈이 동작하지 않는다.

그림 4. 시스템 흐름도

Fig. 4 Flow chart of the system

진동 센서가 감지된다면, 다음으로는 주행 판단 모듈의 스위치가 닫혀있는지 감지한다. 스위치가 열려있다면 강제 탈거 상태로 판단되어 Module removal 상태가 된다. 이 때, BLE의 0x0110 신호와 13.5k Hz의 음파 신호를 송신한다.

스위치가 닫혀있다면 주행 판단 모듈이 차량에 정상적으로 부착되어, 있는 것으로 판단되어 잔여 배터리를 감지한다. 배터리가 1.8V 이하라면 low-battery 상태로, BLE의 0x0101 신호와 16.5k Hz의 음파 신호를 송신한다.

배터리도 1.8V 이상 있다면 주행 판단 모듈은 정상 상태로, BLE의 0x0100 신호와 19.5k Hz의 음파 신호를 송신한다. 주행 판단 모듈이 정상 상태일 때, 운전자 휴대폰의 휴대폰 사용 방지 애플리케이션이 실행되어 블록창이 활성화 된다. 위 과정은 10초마다 반복된다.

Ⅳ. 실험 결과

본 논문에서 개발한 주행 판단 모듈은 그림 5와 같다. 발한 모듈의 음파의 주파수 측정, BLE 수신 실험, 그리고 애플리케이션 실행을 진행하였다.

그림 5. 개발 모듈의 PCB 기판

Fig. 5 PCB of a developed module

1. 음파의 주파수 측정

주행 판단 모듈이 정상 상태임을 알리거나, 강제 탈거 상태, 배터리 이상 상태를 알리기 위해 스피커를 통해 음파를 출력한다. 정상 상태일 경우 19.5k Hz, 강제 탈거 상태일 경우 13.5k Hz, 배터리 이상일 경우 16.5k Hz의 음파가 일정한 간격으로 10ms 동안 출력된다. 그림 6은 출력된 음파의 주파수를 측정한 값이다. 차례로 정상 상태, 탈착 상태, 배터리 이상 상태의 주파수가 출력되어 측정되는 것을 볼 수 있다.

그림 6. 음파 신호의 주파수 측정

Fig. 6 Frequency measurement of sound signal

휴대폰에 내장된 마이크 수신부에서 해당 주파수의 음파가 감지될 경우, 휴대폰 사용 방지 애플리케이션은 주행 판단 모듈의 상태를 구분하고 블록창의 실행 여부를 판단하게 된다.

2. BLE 신호 수신

휴대폰 사용 방지 애플리케이션을 활성화 시키는 신호와 모듈 탈착, 배터리 이상, 슬립 모드 상태를 알려주는 신호가 BLE를 통해 전달된다. 주행 판단 모듈이 그림 2의 BLE 신호를 송신하면 휴대폰 사용 방지 애플리케이션은 BLE 신호의 minor 값을 읽는다. 정상 상태이면 minor 값이 256, 탈착 상태이면 272, 배터리 이상 상태이면 273으로 표시된다.

그림 7은 각각 모듈이 정상 상태, 탈착 상태, 배터리 이상임을 가정하고, 휴대폰에서 수신 받은 BLE 신호를 확인한 것이다.

그림 7. BLE 신호의 수신 내용

Fig. 7 Content of a BLE signal

3. 애플리케이션 실행

그림 8은 휴대폰 사용 방지 애플리케이션의 실행 내용을 나타낸 것이다. 운전자가 주행 판단 모듈을 차량에 설치하고 애플리케이션을 설치하여 주행을 시작하면, 그림 8과 같이 휴대폰의 평소 화면에서 블록창이 실행되고 터치 기능이 차단되는 것을 확인할 수 있다. 실제로는 투명한 블록창이 나타나 휴대폰의 평소 화면은 확인할 수 있도록 설정되었다. 따라서 내비게이션 등의 기능은 정상적으로 사용할 수 있다. 또한 핸즈프리 기능도 정상적으로 사용할 수 있어, 음악을 듣거나 전화가 걸려올 경우 수신할 수 있다.

그림 8. 애플리케이션 실행 결과

Fig. 8 Application execution result

휴대폰 사용 방지 애플리케이션은 주행 판단 모듈이 정상적으로 동작하는지, 주행 판단 모듈이 차량에서 떼어졌는지에 대한 정보를 가지고 있다. 휴대폰 사용 방지 애플리케이션은 이 정보들을 서버에 저장한다. 버스 회사 측에서는 서버에 저장된 정보들을 확인하여, 주행 판단 모듈과 애플리케이션이버스 안에서 정상 작동하는지 여부를 확인한다. 서버에서는 주행 판단 모듈을 식별하여 인식할 수 있어 다수의 주행 판단 모듈의 상태를 개별적으로 확인할 수 있다.

V. 결론

운전자가 차량을 주행 중일 때, 운전자의 스마트폰 사용을 방지하는 주행 판단 모듈과 휴대폰 사용 방지 애플리케이션을 개발하였다. 주행 판단 모듈은 차량에 부착되어 차량의 진동을 감지함으로써, 차량이 주행 중임을 판단하고, 음파와 저전력 블루투스 신호를 송신한다. 휴대폰 사용 방지 애플리케이션은 위 신호들을 수신하여 운전자의 스마트폰 화면의 블록창을 활성화 시켜 터치 기능을 제한한다.

본 논문에서는 주행 판단 모듈과 휴대폰 사용 방지 애플리케이션의 주 사용자를 버스 기사로 정하였다. 버스 회사 또는 지역 시 측이 시민의 안전을 위해 본 모듈과 애플리케이션의 사용에 적극적으로 협조를 해야 한다. 따라서 회사 또는 지역 시 측에서 버스에 주행 판단 모듈을 설치하고 버스 기사에게 휴대폰 사용 방지 애플리케이션을 설치할 것을 요청하는 강제성이 필요하다.

주행 판단 모듈과 일정 거리 내의 공간에서 사람들의 휴대폰 사용을 방해하는 시스템을 응용하면, 본 논문의 모듈과 애플리케이션의 활용 범위를 확장시킬 수 있다. 예를 들어, 학교용 모듈은 수업 중 학생들의 스마트폰 사용을 제한하는 모듈로, 학교 교실 내에서 사용될 수 있다. 교사가 온오프 스위치를 조작해 모듈의 동작을 조절할 수 있을 것이다.