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문제 정의
- 본 논문에서는 LED 조명기기에서 최적의 에너지 절약과 효율성을 가지는 점등제어 알고리즘을 제안하였다.
- 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 다중 센서를 이용하여 제어하는 알고리즘을 설계하고, 에너지 효율을 높이는 LED 조명기기 점등제어 알고리즘을 제안한다.
제안 방법
- 그림 8의 a는 실제 가로등에 설치된 지그비 모듈과 복합 센서를 장착한 모습이고, 그림 8의 b는 가로등으로부터 데이터를 송수신하기 위한 게이트웨이를 설치한 모습이다. 가로등에 설치된 지그비 모듈은 하나의 무선 네트워크로 연결되어 가로등 주변의 온도, 습도, 조도, 그리고 움직임을 감지하여 중앙관제서버에 센싱된 데이터를 송수신할 수 있도록 구현하였다.
- 팔각형 패턴 점등제어 알고리즘을 적용하면 LDM (LED Dot-matrix Module)은 50%가 점등되기 때문에 LDM은 수명이 최대 2배 향상이 가능하지만, 기존의 전체 점등 방식보다 광속이 저하되기 때문에 고휘도 LED 사용을 필요로 한다. 그리고 모든 LED의 균등한 사용 시간을 위하여 교차 점등 알고리즘을 구현한다. 팔각형 패턴은 완전대칭적인 패턴 형태를 가지며, 패턴을 반전을 시키거나 회전을 시켜도 조도 분포가 균등하다.
- 본 논문 에서는 패턴 점등제어를 하기 위하여 8×8 LDM에 팔각형 패턴을 적용하고, 점등되는 분포 내각을 조절하여 완전대칭적인 여러 개의 패턴을 생성한다.
- 본 논문에서 제안하는 LED 가로등에 중앙 제어와 모니터링이 가능하게 하기 위하여 그림 6과 같이 지그비 기반의 무선 네트워크를 구성한다. LED 가로등에서는 조 도, 습도, 온도, 모션 센서들을 포함하는 복합 센서 모듈을 통하여 실시간으로 센싱된 데이터 값들을 가로등 통제센터에 송수신하게 된다.
- 본 논문에서는 LED의 점등패턴을 팔각형 모양으로 하여 일정 간격을 두고 점진적으로 전개되어 점등되는 패턴제어 알고리즘을 적용한다. 이러한 알고리즘은 점등되는 LED를 최소화하여 에너지를 절감시키고, 내부온도 상승으로 인한 간섭을 최소화하여 LED의 성능을 높일 수 있다.
- 실제 필드에서 제안된 알고리즘이 적용된 LED 가로 등의 조도를 측정하기 위하여 그림 9와 같이 다중 센서 플랫폼이 결합되어 있는 센서 노드와 지그비 방식으로 센싱 데이터를 수신하기 위한 싱크노드, 싱크노드와 연결되어 센싱 데이터를 분석하기 위한 호스트 컴퓨터로 구성하였다. 센서 노드에는 다중 센서 프로그램을 포팅 을 하였다. 싱크 노드에는 센싱 데이터를 수신할 수 있는 프로그램을 다운로드하여 테스트를 진행 하였다.
- 실제 필드에서 제안된 알고리즘이 적용된 LED 가로 등의 조도를 측정하기 위하여 그림 9와 같이 다중 센서 플랫폼이 결합되어 있는 센서 노드와 지그비 방식으로 센싱 데이터를 수신하기 위한 싱크노드, 싱크노드와 연결되어 센싱 데이터를 분석하기 위한 호스트 컴퓨터로 구성하였다. 센서 노드에는 다중 센서 프로그램을 포팅 을 하였다.
- 최적의 에너지 효율을 위한 새로운 LED 조명기기 점등제어 알고리즘의 검증을 위해 ATmega128을 사용한 개발 툴킷을 사용하여 패턴 점등에 대한 실험과 제안된 점등제어 알고리즘을 적용하여 얻은 데이터를 분석하였다. 실험환경 구축을 위해 PC에 컴파일러 도구인 WinAVR과 통합개발 프로그램인 AVR Studio 4를 설치 하고 JTAG를 통해 앞서 설계한 팔각형 패턴 점등제어 프로그램을 장치에 포팅하였다. 개발툴킷에서의 LDM이 정상적으로 제어가 되는지 테스트한 결과, 주변 조도에 따라서 팔각형 패턴으로 점등이 되었으며, 모션 센서의 데이터의 값에 따라서 LDM 모듈의 모든 LED가 점등되어 프로그램이 정상적으로 동작함을 확인할 수 있었다.
- 센서 노드에는 다중 센서 프로그램을 포팅 을 하였다. 싱크 노드에는 센싱 데이터를 수신할 수 있는 프로그램을 다운로드하여 테스트를 진행 하였다. 싱크 노드로 수신되는 센싱 데이터를 위한 메시지 분석은 랩 뷰를 이용하여 분석하였다.
- 그림 10은 팔각형 패턴으로 점등제어 할 때, 조도와 주변 사물의 움직임 감지시의 조도를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 조도 분포도의 측정을 위하여 센서 노드는 LED 조명기기에서 1.5 M 간격으로 센서 노드를 위치하 여 측정하였다.
- 최적의 에너지 효율을 위한 새로운 LED 조명기기 점등제어 알고리즘의 검증을 위해 ATmega128을 사용한 개발 툴킷을 사용하여 패턴 점등에 대한 실험과 제안된 점등제어 알고리즘을 적용하여 얻은 데이터를 분석하였다. 실험환경 구축을 위해 PC에 컴파일러 도구인 WinAVR과 통합개발 프로그램인 AVR Studio 4를 설치 하고 JTAG를 통해 앞서 설계한 팔각형 패턴 점등제어 프로그램을 장치에 포팅하였다.
데이터처리
- 싱크 노드에는 센싱 데이터를 수신할 수 있는 프로그램을 다운로드하여 테스트를 진행 하였다. 싱크 노드로 수신되는 센싱 데이터를 위한 메시지 분석은 랩 뷰를 이용하여 분석하였다.
이론/모형
- 본 논문에서 제안하는 조명기기 점등제어 알고리즘은 호스트 센터에 설치된 PC에서 인터넷을 통하여 중앙제어와 모니터링을 하도록 하고, LED 조명기기를 제어하기 위해 게이트웨이에서 Zigbee 방식을 이용한다. 조명 기기는 무선 컨트롤러를 통해 설치된 조도 센서와 모션 센서의 센싱 데이터를 이용하여 LED 조명기기를 제어할 수 있도록 구성한다.
성능/효과
- 실험환경 구축을 위해 PC에 컴파일러 도구인 WinAVR과 통합개발 프로그램인 AVR Studio 4를 설치 하고 JTAG를 통해 앞서 설계한 팔각형 패턴 점등제어 프로그램을 장치에 포팅하였다. 개발툴킷에서의 LDM이 정상적으로 제어가 되는지 테스트한 결과, 주변 조도에 따라서 팔각형 패턴으로 점등이 되었으며, 모션 센서의 데이터의 값에 따라서 LDM 모듈의 모든 LED가 점등되어 프로그램이 정상적으로 동작함을 확인할 수 있었다. 그림 7은 제안한 팔각형 패턴 점등 제어 알고리즘이 적용으로 얻어낸 LDM의 패턴 점등과 전체 점등 제어 상태를 나타낸 것이다.
- 4 % 감소되어 내 부온도 상승으로 인한 LED의 성능저하를 해결하였다. 그러나 발광효율이 30.3 % 떨어진 것으로 확인되었지만 고휘도 LED를 사용하여 조도 저하의 문제를 해결할 수 있었으며, 결과적으로 높은 에너지 절감효과와 LED의 내부온도 상승으로 인한 밝기 저하, 수명 저하, 색상 변화 등의 성능저하 요소를 해결할 수 있었다. 따라서 제안된 LED 조명기기 점등제어 알고리즘을 적용한 시스템은 기존의 시스템보다 약 40 % 이상의 에너지 절감 효과를 얻을 수 있었다.
- 평소에는 팔각형 패턴으로 점등제어 되다가 주변 사물의 움직임이 감지되면 전체 LED가 점등되어 동작 하는 것을 확인 하였다. 따라서 본 논문에서 제안한 점등제어 알고리즘은 에너지 절감에 효과가 있음을 입증하였다.
- 3 % 떨어진 것으로 확인되었지만 고휘도 LED를 사용하여 조도 저하의 문제를 해결할 수 있었으며, 결과적으로 높은 에너지 절감효과와 LED의 내부온도 상승으로 인한 밝기 저하, 수명 저하, 색상 변화 등의 성능저하 요소를 해결할 수 있었다. 따라서 제안된 LED 조명기기 점등제어 알고리즘을 적용한 시스템은 기존의 시스템보다 약 40 % 이상의 에너지 절감 효과를 얻을 수 있었다.
- 센서 제어에 의한 패턴 점등으로 약 40% 이상의 에너지 절감 효 과를 얻을 수 있음을 입증하였다. 또한 제안된 점등 제어알고리즘은 프로그램의 변경에 의해 여러 종류의 패턴 제어가 손쉽게 구성이 가능하였다. 또한 지그비 네트워 크를 이용한 가로등과 중앙관제서버와 복합 센서의 데이터 통신으로 원격제어 및 모니터링에 의해 효율적인 에 너지 절약을 위한 운영이 가능하였다.
- 또한 제안된 점등 제어알고리즘은 프로그램의 변경에 의해 여러 종류의 패턴 제어가 손쉽게 구성이 가능하였다. 또한 지그비 네트워 크를 이용한 가로등과 중앙관제서버와 복합 센서의 데이터 통신으로 원격제어 및 모니터링에 의해 효율적인 에 너지 절약을 위한 운영이 가능하였다.
- 제안된 팔각형 패턴을 이용한 점등제어 알고리즘의 적용으로 균일한 각도로 가지는 완전대칭 패턴을 생성하여 조도분포를 균일하게 할 수 있고, 점등되는 패턴에 교차점등 기법을 적용하여 별도의 히트싱크와 디밍 드라이 버의 추가 없이 내부온도 상승을 낮출 수 있다. 센서 제어에 의한 패턴 점등으로 약 40% 이상의 에너지 절감 효 과를 얻을 수 있음을 입증하였다. 또한 제안된 점등 제어알고리즘은 프로그램의 변경에 의해 여러 종류의 패턴 제어가 손쉽게 구성이 가능하였다.
- 전체 점등과 제안된 알고리즘을 적용한 팔각형 패턴 점등방식의 차이점을 살펴보면 팔각형 패턴으로 점등하였을 때에는 동작되는 LED가 50 % 감소되어 소비전력 이 47.1 % 절감되었고, 내부온도가 22.4 % 감소되어 내 부온도 상승으로 인한 LED의 성능저하를 해결하였다. 그러나 발광효율이 30.
- 제안된 팔각형 패턴을 이용한 점등제어 알고리즘의 적용으로 균일한 각도로 가지는 완전대칭 패턴을 생성하여 조도분포를 균일하게 할 수 있고, 점등되는 패턴에 교차점등 기법을 적용하여 별도의 히트싱크와 디밍 드라이 버의 추가 없이 내부온도 상승을 낮출 수 있다. 센서 제어에 의한 패턴 점등으로 약 40% 이상의 에너지 절감 효 과를 얻을 수 있음을 입증하였다.
- 그림 11은 필드에 설치된 LED 조명기기를 통해 검증 모습을 나타내었다. 평소에는 팔각형 패턴으로 점등제어 되다가 주변 사물의 움직임이 감지되면 전체 LED가 점등되어 동작 하는 것을 확인 하였다. 따라서 본 논문에서 제안한 점등제어 알고리즘은 에너지 절감에 효과가 있음을 입증하였다.
후속연구
- 향후 연구 과제로는 친환경과 에너지 절약은 물론 인간중심적으로 감성조명과 복합형 노드제어 기술을 통한 에너지 절감기술 연구와 다중센서 통합보드 기술개발을 통한 실시간 모니터링 및 수집기술 연구, 실시간 모니터 링/제어를 통한 안전성 및 지능화된 유지관리기술 연구가 진행되어야 한다.
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