감성 조명장치의 소모 전력 절감을 위한 거리 측정 센서 기반 자동 조광 제어 Automated Brightness Control Using Distance Measuring Sensor for Reducing the Power Consumption of Emotional Lighting원문보기
본 논문에서는 감성조명의 소모전력 절감을 위한 거리 측정 센서 기반 자동 조광제어 시스템을 제안하고 구현한다. 지속적인 색상변화를 표현해야 하는 감성 조명에서의 소비 전력 절감을 위하여 초음파 센서를 이용한 사용자와의 지속적인 거리 측정 및 이를 통한 PWMDimming 제어를 수행한다. 조명장치는 마이크로 컨트롤러, LEDDriver, 초음파 센서, 통신모듈 등으로 구성되며, 초음파 센서를 통해 측정된 거리 정보를 PWM 신호에 적용하여 실시간 밝기 제어를 수행한다. 기존 조명에서의 에너지 절감 기법을 감성조명에 적용하여 사용자 부재 시 불필요한 전력 소모를 최소화하는 능동형 조명 시스템을 구현한다.
본 논문에서는 감성조명의 소모전력 절감을 위한 거리 측정 센서 기반 자동 조광 제어 시스템을 제안하고 구현한다. 지속적인 색상변화를 표현해야 하는 감성 조명에서의 소비 전력 절감을 위하여 초음파 센서를 이용한 사용자와의 지속적인 거리 측정 및 이를 통한 PWM Dimming 제어를 수행한다. 조명장치는 마이크로 컨트롤러, LED Driver, 초음파 센서, 통신모듈 등으로 구성되며, 초음파 센서를 통해 측정된 거리 정보를 PWM 신호에 적용하여 실시간 밝기 제어를 수행한다. 기존 조명에서의 에너지 절감 기법을 감성조명에 적용하여 사용자 부재 시 불필요한 전력 소모를 최소화하는 능동형 조명 시스템을 구현한다.
In this paper, we propose and implement the automated brightness control system using distance measuring sensor for reducing the power consumption of emotional lighting device. In order to reduce the power consumption of emotional lighting devices which express continuous color changes, the proposed...
In this paper, we propose and implement the automated brightness control system using distance measuring sensor for reducing the power consumption of emotional lighting device. In order to reduce the power consumption of emotional lighting devices which express continuous color changes, the proposed device measures the distance continuously using ultrasonic sensor and by using this, it also performs PWM Dimming control. The lighting device is composed of micro controller, LED driver, ultrasonic sensor, communication module and so on. And the device performs the real time brightness control by adapting the measured distance information from ultrasonic sensor to PWM signals. From this experiment, we implement the active lighting system which minimizes unnecessary power consumption during user's absence by adapting existing energy reducing techniques.
In this paper, we propose and implement the automated brightness control system using distance measuring sensor for reducing the power consumption of emotional lighting device. In order to reduce the power consumption of emotional lighting devices which express continuous color changes, the proposed device measures the distance continuously using ultrasonic sensor and by using this, it also performs PWM Dimming control. The lighting device is composed of micro controller, LED driver, ultrasonic sensor, communication module and so on. And the device performs the real time brightness control by adapting the measured distance information from ultrasonic sensor to PWM signals. From this experiment, we implement the active lighting system which minimizes unnecessary power consumption during user's absence by adapting existing energy reducing techniques.
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문제 정의
본 논문에서는 센서로 측정된 거리정보를 이용하여 에너지 소비 절감을 위한 최적의 밝기 제어와 동시에 기존 감성조명장치의 기능을 유지하도록 하는 조명 시스템을 제안하고 구현하였다. 이를 위해 마이크로 컨트롤러, LED Driver, 초음파 센서 등으로 구성된 조명 장치를 구현하고 초음파 센서를 통해 실시간 밝기 제어를 수행하였다.
본 논문에서는 이러한 연구들을 바탕으로, 센서로 측정된 거리정보를 이용하여 에너지 소비 절감을 위한 최적의 밝기 제어와 동시에 기존 감성조명장치의 기능을 유지하도록 하는 조명 시스템을 제안하고 구현하였다. 이를 위해 마이크로 컨트롤러, LED Driver, 초음파 센서 등으로 구성된 조명 장치를 제작하였고, 초음파 센서를 통해 측정된 값을 PWM 신호에 적용하여 실시간 밝기 제어를 수행한다.
본 논문에서는 초음파 센서의 조명장치-사용자 간 거리 측정을 통한 감성조명의 자동 조광제어시스템을 제안한다. 초음파 센서는 지속적으로 근접한 물체와의 거리를 측정하고, 측정된 거리에 따라 조명의 현재 밝기를 조절한다.
제안 방법
트리거 입력직후 8사이클 동안의 초음파 발생 시간이 필요하며, 에코 출력 펄스폭이 최대 30msec 이기 때문에 이를 모두 포함 할 수 있는 주기 설정이 필요하다. 본 구현에서는 마이크로 컨트롤러에서의 트리거 신호 생성 및 연산의 원활함을 위해 트리거 입력의 주기를 40msec로 설정하였다. 일반적인 실내 조명장치를 고려하여 거리 감지의 범위를 30cm ～1.
이를 위해 마이크로 컨트롤러, LED Driver, 초음파 센서 등으로 구성된 조명 장치를 구현하고 초음파 센서를 통해 실시간 밝기 제어를 수행하였다. 본 시스템의 자동 조광제어 기능을 통해 기존 조명에서의 에너지 절감 기법을 감성조명에 적용하여 사용자 부재 시 불필요한 전력 소모를 최소화하는 능동형 조명 시스템을 구현하였다.
본 연구의 대상이 되는 감성 조명 장치는 사용자의 심리 상태와 생체 리듬에 알맞은 색 온도 및 밝기를 적용 시켜 공간을 변화 시키는 역할을 한다. 즉 사용자와 조명 장치간의 감성 메시지 전달 등의 심미적 기능이 중요한 요소로 작용한다.
감성조명 장치의 특성 상 지속적으로 조명 빛의 밝기와 색상 시퀀스가 바뀌기 때문에 매 순간의 밝기제어 속도가 충분히 빠르게 이루어 져야 한다. 본 장치의 조명 제어는 디지털 기반 PWM Dimming 제어를 사용하므로 MCU내부의 타이머로 구동되는 거리 센서의 측정값을 이용하여 매 순간의 가중치를 연산하고, PWM Duty값과의 곱으로 실제 조명 신호를 생성한다.
조광 컨트롤러를 적용한 대표적인 사례로는 뉴욕 타임즈 본사 건물의 롤러 쉐이드 시스템이 있다. 이 시스템은 실내로 들어오는 자연광을 창문에 설치된 조도 센서를 통해 차양막 역할의 롤러 쉐이드 높이를 5단계로 제어 한다. 실내로 들어오는 광량에 따라 인공조명의 밝기를 제어함으로써 에너지 절감 및 쾌적한 실내 환경을 제공하고 있다.
조광의 조절 방법에는 실내 차양 장치 등의 조작 또는 조명의 직접적인 밝기 제어의 방법이 있다. 이 중본 연구에서는 초음파 센서를 통한 사용자 감지 및 거리 측정을 통해 거리에 따른 자동 조광 제어시스템을 구현한다.
이를 위해 마이크로 컨트롤러, LED Driver, 초음파 센서 등으로 구성된 조명 장치를 제작하였고, 초음파 센서를 통해 측정된 값을 PWM 신호에 적용하여 실시간 밝기 제어를 수행한다. 이로서 기존 조명에서의 에너지 절감 기법을 감성조명에 적용하여 사용자 부재 시 불필요한 전력 소모를 최소화하는 능동형 조명 시스템을 구현하였다.
본 논문에서는 센서로 측정된 거리정보를 이용하여 에너지 소비 절감을 위한 최적의 밝기 제어와 동시에 기존 감성조명장치의 기능을 유지하도록 하는 조명 시스템을 제안하고 구현하였다. 이를 위해 마이크로 컨트롤러, LED Driver, 초음파 센서 등으로 구성된 조명 장치를 구현하고 초음파 센서를 통해 실시간 밝기 제어를 수행하였다. 본 시스템의 자동 조광제어 기능을 통해 기존 조명에서의 에너지 절감 기법을 감성조명에 적용하여 사용자 부재 시 불필요한 전력 소모를 최소화하는 능동형 조명 시스템을 구현하였다.
본 논문에서는 이러한 연구들을 바탕으로, 센서로 측정된 거리정보를 이용하여 에너지 소비 절감을 위한 최적의 밝기 제어와 동시에 기존 감성조명장치의 기능을 유지하도록 하는 조명 시스템을 제안하고 구현하였다. 이를 위해 마이크로 컨트롤러, LED Driver, 초음파 센서 등으로 구성된 조명 장치를 제작하였고, 초음파 센서를 통해 측정된 값을 PWM 신호에 적용하여 실시간 밝기 제어를 수행한다. 이로서 기존 조명에서의 에너지 절감 기법을 감성조명에 적용하여 사용자 부재 시 불필요한 전력 소모를 최소화하는 능동형 조명 시스템을 구현하였다.
구현에 사용된 초음파센서 트리거 입력신호의 경우 전체 40msec주기 중 10μsec 의 HIGH 펄스를 가지는 PWM 신호이다. 이를 위해 먼저 동작 주파수 분주를 통해 40msec 주기를 만드는 Reload Register값을 설정하고, duty비율에 맞는 비교 레지스터 값을 설정한다. 기본 XC-2287의 동작 클럭은 66MHz이므로 1tic카운트 동안의 소요 시간은 약 15.
본 구현에서는 마이크로 컨트롤러에서의 트리거 신호 생성 및 연산의 원활함을 위해 트리거 입력의 주기를 40msec로 설정하였다. 일반적인 실내 조명장치를 고려하여 거리 감지의 범위를 30cm ～1.5m로 설정하고 이 거리 내에서 밝기를 제어하도록 하였다. 이와 같은 트리거 신호 생성, 에코 신호 수신, 거리 계산 및 밝기제어는 XC-2287에서 일괄적으로 이루어진다.
5m로 제한하였다. 즉 30cm이하의 거리에서는 본래 구현한 PWM Duty가 그대로 적용이 되며 거리가 멀어질수록 가중치를 줄여 LED의 밝기가 점점 어두워지도록 하였다. 최대 측정거리 1.
즉 30cm이하의 거리에서는 본래 구현한 PWM Duty가 그대로 적용이 되며 거리가 멀어질수록 가중치를 줄여 LED의 밝기가 점점 어두워지도록 하였다. 최대 측정거리 1.5m이상에서의 밝기는 본래 Duty의 20% 밝기를 내도록 구현하여 LED가 완전히 소등되지 않도록 하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 초음파 센서 모듈은 SRF-05이며 외관 및 핀 구조는 그림 4와 같다.
실험에서 설정된 인지 범위 30cm ～ 1.5m이내에서 거리에 따른 자동 조광 제어동작이 수행되었다. 설정 범위내에서는 사용자와의 거리가 멀어질수록 밝기가 어두워 지고, 1.
성능/효과
구현 결과를 통해 감성조명 장치의 불필요한 전력 소모 절감과 동시에 기존 감성 조명장치의 심미적인 효과가 그대로 유지되는 동작을 확인 할 수 있었다.
5m이내에서 거리에 따른 자동 조광 제어동작이 수행되었다. 설정 범위내에서는 사용자와의 거리가 멀어질수록 밝기가 어두워 지고, 1.5m 밖의 거리에서는 최소 밝기(20%)로 동작하는 사항을 확인 할 수 있었다. 다음 그림 8은 구현된 자동 조광 제어의 동작 모습이다.
후속연구
향후 연구로서 현재의 초음파 센서 이외에 포토센서, 레이저 센서, 적외선 센서 등의 조합으로 더욱 더 정밀한 거리 측정이 이루어 질 수 있을 것으로 생각된다. 또한 WLAN, WPAN 등의 통신 기술과의 융합을 통해 로봇, 디지털 앨범 등 다양한 응용 컨텐츠의 개발이 가능할 것으로 생각된다.
향후 연구로서 현재의 초음파 센서 이외에 포토센서, 레이저 센서, 적외선 센서 등의 조합으로 더욱 더 정밀한 거리 측정이 이루어 질 수 있을 것으로 생각된다. 또한 WLAN, WPAN 등의 통신 기술과의 융합을 통해 로봇, 디지털 앨범 등 다양한 응용 컨텐츠의 개발이 가능할 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
미국, 일본 등의 국가에서는 어떠한 규제에 따라 LED조명에 대한 국가 프로젝트를 진행하는가?
최근 전 세계적인 에너지 자원 고갈 및 환경오염 등이 세계적인 문제점으로 인식되면서, 조명 관련 분야에서도 에너지 절약을 목적으로 하는 다양한 연구가 진행 되고 있다[1][2]. 미국, 일본 등의 국가에서는 RoHS(유해물질사용제한지침) 규제 등에 따라 LED조명에 대한 국가 프로젝트를 진행하고 있다. 미국의 경우 ‘Next Generation Lighting Initiative’를 통해 2020년까지 발광 효율 200lm/W의 LED 개발 및 세계 조명 시장 50%점유를 목표로 하는 연구가 진행 중에 있다.
자동 조광 제어 기술의 특징은 무엇인가?
자동 조광 제어 기술은 주로 건물 에너지 절약에 관한 연구가 진행 중에 있으며, 가동형 차양 장치, 광선반, 광덕트 등의 연구 분야가 있다. 이러한 건물 소모 에너지 절감을 위한 조광제어 시스템은 사용자의 재/부재 확인을 위한 감지 센서와 함께 차양 장치와 연동하는 조도 센서 등을 사용하여 조명장치에서 소모되는 전력을 최소화 한다[6][7]. 이와 같이 기존 조광용 조명분야에서는 사용자의 재/부재 정보를 통해 소비 전력 절감을 수행하는 다양한 연구가 진행되어 왔다[3][4][5].
자동 조광 제어 기술에 대한 연구분야로 무엇이 있는가?
또한 조명기기의 소모 전력을 줄이기 위한 방안으로서 다양한 자동 조광제어 기술이 연구되고 상용화되고 있다. 자동 조광 제어 기술은 주로 건물 에너지 절약에 관한 연구가 진행 중에 있으며, 가동형 차양 장치, 광선반, 광덕트 등의 연구 분야가 있다. 이러한 건물 소모 에너지 절감을 위한 조광제어 시스템은 사용자의 재/부재 확인을 위한 감지 센서와 함께 차양 장치와 연동하는 조도 센서 등을 사용하여 조명장치에서 소모되는 전력을 최소화 한다[6][7].
민경익. "친환경 고효율 LED 조명 엔진 개발 현황 및 전망", 한국건축친환경설비학회지, 제3권 제4호, pp.34-41, 2009.
Matta, S, Mahmud, S.M, "An Intelligent Light Control System for Power Saving", IECON 2010 - 36th Annual Conference. pp.3316 - 3321, 2010.
Cooley, J.J, Avestruz A.-T, Steven B. Leeb, Les K. Norford, "A Fluorescent Lamp with Integral Proximity Sensor for Building Energy Management", Power Electronics Specialists Conference, pp.1157 - 1163, 2007.
Yao-Jung Wen, Jessica Granderson, Agogino A.M, "Towards Embedded Wireless-Networked Intelligent Daylighting Systems for Commercial Buildings", Sensor Networks, Ubiquitous, and Trustworthy Computing, 2006. IEEE International Conference, Vol 1, pp. 6, 2006.
E.S.Lee, "The New York Times Headquarters Daylighting Mockup: Monitored performance of the daylighting control system", Energy and buildings. 38(7), 2006.
최안섭, 김유신, "커튼월 건축물(미국 뉴욕타임즈 본사)의 주광 활용 사례 및 에너지 절감 평가", 한국태양에너지학회지, 8권 제2호, pp.10-15, 2009.
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