[논문]에너지 절감을 위한 무선 대기전력 제어 시스템 설계 및 구현

심갑식; 장재혁

doi:10.5392/jkca.2013.13.05.019

에너지 절감을 위한 무선 대기전력 제어 시스템 설계 및 구현
Design and Implementation of Wireless standby Power Control System for Energy Saving 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.13 no.5, 2013년, pp.19 - 27

심갑식 (국립경남과학기술대학교 교양학부) , 장재혁 (국립경남과학기술대학교 교양학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 마스터 장치와 슬레이브 장치로 구성된 대기 전력 제어 시스템을 구현한다. 마스터 장치의 RFID 카드의 인증여부에 따라 슬레이브 장치의 릴레이를 제어한 후에 전원 공급을 차단함으로써 대기전력이 관리된다. 마스터 장치는 RFID 인터페이스 및 무선 통신 모듈을 내장하고 있고, 마스터 장치 1개에 대해 n개의 슬레이브 장치가 무선으로 연계되며 각각의 슬레이브 장치는 전력제어에 필요한 동작을 독립적으로 수행한다. 슬레이브 장치에 수동으로 전력을 on/off 할 수 있는 기능과 스위치 조작을 통해 마스터 장치에 사용자 ID를 등록하는 기능을 구현했다. 또한, 본 시스템은 무선으로 양방향 통신이 가능하고 TinyOS 상에서 실행된다. 실험 결과, 본 시스템은 마스터 장치에서 사용자 여부를 인식하고, 이에 대한 인식 정보를 무선 통신으로 슬레이브 장치에 전송함으로써, 릴레이를 제어하여 대기 전력이 차단된 것을 보여 주었다. 본 시스템을 건물이나 사무실에 설치할 경우 전력 절감을 기할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper implements the standby power control system composed of a master device and slave devices. The standby power is managed by cutting power supply after controlling the relay of a slave device based on the authentication of master device's RFID card. RFID interface and wireless communication module are embedded in a master device, and one master device is linked with many slave devices in wireless. Each slave device executes the operation needed in power control independently. We implements the function of manual power on/off system in a slave device, and the function of user ID enrollment by switch manipulation in a master device. Also this system can communicate bidirectionally in wireless and runs on TinyOS. The result of experiment shows that the user authentication is executed in a master device and this authenticated information is transmitted to a slave device in wireless, and standby power is cutted by controlling the relay of a slave device. Installing this system in a building or an office, we can expect energy saving.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 RFID와 무선 통신 기술인 ZigBee를 통합하여 원거리에 있는 디바이스들을 원격 제어 가능한 무선 통신 회로를 설계하고, 이를 이용하여 대기전력을 차단할 수 있는 시스템을 구현하였다.
이런 불편함과 어려움을 해결하기 위해, 본 논문에서는 RFID와 무선 통신 기술인 ZigBee를 이용하여 원격 제어 가능한 대기전력 제어 시스템을 설계하고 구현하였다. 이 시스템은 RFID 태그의 데이터를 리더에 인식 시킨 후, ZigBee를 이용하여 인식된 데이터를 원격지 대기전력 제어 시스템에 전송한다.

가설 설정

전파 간섭에 따른 변화를 측정하기 위해 복도와 사무실에서 실험하였다. 실험에 있어 장애물의 존재 여부와 장애물 종류에 따라 신호의 세기가 감쇄되거나 간섭을 받을 수 있기 때문에 실험 상태를 가정하여 실험하였다.

제안 방법

개발 시스템은 마스터 장치 1개 당 슬레이브 장치 n개를 제어가능하고, 마스터 장치를 여러 개로 분리하여 운용이 가능하다. 그리고 슬레브 장치의 사용자ID 등록 단순화를 통한 사용자측면에서 편의성을 강화시켰다.
구현 시스템은 RFID 태그의 데이터를 리더에 인식시킨 후, ZigBee를 이용하여 원거리에 있는 대기전력 시스템을 원격 제어 가능토록 설계하였다. [그림 1]은 구현된 시스템의 개념도이다.
구현된 시스템은 마스터 장치 1개에 대해 n개의 슬레이브 장치를 무선통신 방식으로 동작을 독립적으로 제어할 수 있도록 구성하였다. 그리고 슬레이브 장치에 수동으로 전력을 on/off 할 수 있는 기능을 부여하고, 간단한 스위치 조작을 통해 마스터 장치에 사용자 ID를 등록할 수 있도록 하였다.
구현된 시스템은 마스터 장치 및 슬레이브 장치간의 송·수신 통신이 가능하며, RFID 태그에 의한 사용자 인식을 통해 사용여부를 확인하고 이에 대한 정보를 마스터 장치에서 슬레이브 장치에 전달하여 릴레이 스위치를 제어하여 대기전력 제어 장치를 작동한다.
구현된 시스템의 사용자 ID 등록방식은 마스터 장치 1대에 대해 n개의 슬레이브 장치를 직접 등록할 수 있어 코드 ID 등록 방식의 간섭 문제를 해결하고, 슬레이브 장치의 사용자 ID 등록절차를 단순화하였다.
구현된 시스템의 슬레이브 장치는 AC 전원을 DC로 변환하여 제어하는 정류부와 RFID 송신신호를 받아들이는 수신부, 그리고 수신된 신호를 판별하여 대기전력 시스템을 제어하는 릴레이부로 구성되었다. [그림 5]는 슬레이브 장치 구성도이다.
구현된 시스템은 마스터 장치 1개에 대해 n개의 슬레이브 장치를 무선통신 방식으로 동작을 독립적으로 제어할 수 있도록 구성하였다. 그리고 슬레이브 장치에 수동으로 전력을 on/off 할 수 있는 기능을 부여하고, 간단한 스위치 조작을 통해 마스터 장치에 사용자 ID를 등록할 수 있도록 하였다. [그림 10]은 시스템 사용자 ID 등록 흐름도이다.
마스터 장치 1개에 대해 n개의 슬레이브 장치가 무선통신으로 연계하여 전력제어에 필요한 동작을 독립적으로 수행할 수 있도록 구성하였다. 그리고 슬레이브 장치에 수동으로 전력을 on/off할 수 있는 기능을 부여하고, 슬레이브 장치의 간단한 조작을 통해 마스터 장치에 사용자 ID를 등록할 수 있도록 하였다. [그림 2]는 개발된 무선 대기전력 제어 시스템 마스터 장치 RFID MCU 블록도이다.
구현 시스템은 무선 데이터를 전송하기 위해 ZigBee 모듈을 사용하였다. 그리고 제어상태를 확인하기 위하여 모듈 외부에 LCD를 추가하여 구성하였다.
실험은 데이터 전송실험에서 현저히 안적적인 전송률을 보인 30m 이내의 복도에서 실시하였다. 대기전력 차단률 실험에서는, RFID 태그를 통해 마스터 장치에서 사용자 여부를 인식하고, 이에 대한 정보를 무선통신을 통해 사용자 ID가 등록된 슬레이브 장치에 전송하여 릴레이스위치 제어를 통해 대기전력을 차단하였으며, 50회 실시하여 전부 성공하였다. 이를 통해 시스템성능이 비교적 안정적임을 확인하였다.
구현된 모듈의 전원부는 AC220V를 입력받아 surge로부터 회로를 보호하기 위해 observer을 삽입하여 정류기를 거친 후 DC전압으로 변환하여 본 기기의 콘트롤러를 구동한다. 데이터 KEY 입력부는 RFID 태그에 의해 입력된 신호를 최대 50 개까지 코딩할 수 있도록 입력값을 조정하였다. [그림 4]는 마스터 장치 구성도이다.
또한, 내부에 플래쉬 메모리가 내장되어 있기 때문에 최단 시간 내에 최소 비용으로 개발이 가능한 장점이 있어 대기전력 감시제어, 소비전력 감시, 과전류 감시, WSP-WAP간 통신 프로토콜 처리기능을 수행한다. 또한 산술, 논리 요소뿐 아니라 데이터 저장을 위한 읽기 쓰기 메모리, 코드 저장을 위한 플래시와 같은 읽기 전용 메모리, 계속적인 데이터 저장을 위한 EEPROM, 주변 기기, 입출력 인터페이스 등의 부가 요소를 통합한다.
마스터 보드의 경우 PC 또는 RS-232C 포트를 연결하는 단자를 구성하였다. 또한 안테나 연결 단자(SMA 커넥트)로 ANT-con, 외부 장치 추가를 위한 포트를 구성하였다. ZigBee 모듈은 무선 대기전력 시스템과 무선 액세스 포인트간 데이터 송수신을 위한 근거리 무선 송수신 기능을 제공한다.
구현 시스템은 마스터·슬레이브 장치로 나누어 설계되었으며, 마스터 장치는 RFID 인터페이스 및 무선 통신 모듈을 내장하고 있다. 마스터 장치 1개에 대해 n개의 슬레이브 장치가 무선통신으로 연계하여 전력제어에 필요한 동작을 독립적으로 수행할 수 있도록 구성하였다. 그리고 슬레이브 장치에 수동으로 전력을 on/off할 수 있는 기능을 부여하고, 슬레이브 장치의 간단한 조작을 통해 마스터 장치에 사용자 ID를 등록할 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 RFID와 ZigBee를 이용하여 송신부와 수신부를 나누어 시스템을 설계하고 구현하였다. [표 1]은 구현된 시스템의 송·수신부 사양표이다.
본 시스템은 무선 데이터 마스터·슬레이브 장치로 나누어 구현되었으며, 마스터 장치는 대기상태에서 RFID 태그 정보를 MCU에 저장한다.
슬레이브 장치에서는 마스터 장치의 ZigBee 모듈이 보낸 데이터를 수신하여 슬레이브 장치의 수신부 MCU를 통해 릴레이부를 제어하고 그 결과를 LED로 출력되게 하였다. 즉, RFID의 데이터를 받은 수신부에서는 각 모듈에 데이터가 안정적으로 수신되는지 확인할 수 있도록 하였다.
수신부는 송신부의 RFID 태그 데이터 전송을 받아들이는 역할을 한다. 슬레이브 장치의 수신부는 사용자 판별을 위해 수신된 RFID 태그 데이터를 이용하여 시스템 주전원을 제어하는 릴레이부에 시스템 전체 전원을 제어하는 FET와 FET의 게이트에 전류를 공급하기 위한 트랜지스터, 베이스에 외부자극을 받아들일 수 있도록 연결하는 저항소자 등으로 구성하였다.
구현된 시스템의 송·수신 모듈은 장애물이 없을 경우 거리 60m까지 통신이 가능하며, 50m까지 안정적인 통신이 가능하고, LCD를 통하여 작동 상태를 쉽게 파악할 수 있다. 실험은 각 50회씩 복도와 사무실에서 하였으며 환경적 제약은 배제하였다. [그림 14]는 복도에서의 인식 데이터 전송거리 실험 모습이다.
개발된 시스템의 성능을 실험하기 위하여 실험환경을 설정하였다. 전파 간섭에 따른 변화를 측정하기 위해 복도와 사무실에서 실험하였다. 실험에 있어 장애물의 존재 여부와 장애물 종류에 따라 신호의 세기가 감쇄되거나 간섭을 받을 수 있기 때문에 실험 상태를 가정하여 실험하였다.

대상 데이터

이 실험에서는 시스템 성능에 대한 실험을 위해 5종의 KS규격 제품만을 사용하였으며, 그 동작 성능에서는 오인식, 오작동의 문제는 발생하지 않았다. RFID 리더는 13.56Mhz의 단거리 주파수 제품을 사용하였다. 제품의 제원에는 10cm까지 인식이 가능하다고 하였지만 실제 인식 거리 실험에서는 총 100회 실험에서 인식 거리는 8cm를 넘지 못하였다.
[그림 3]은 설계된 마스터 장치의 주회로도이며, 전원부, RFID 입력부, 데이터 KEY 입력부, TX부, 릴레이출력부, 입출력신호 제어를 위한 MCU부로 구성되었다.
본 논문에서 구현한 수신 모듈은 마스터 장치 송신부에서 전송된 RFID 태그 입력값을 무선으로 주고받을 수 있다. ZigBee 모듈은 기본적으로 다른 802.
[표 3]은 대기전력 차단률 실험결과이다. 실험은 데이터 전송실험에서 현저히 안적적인 전송률을 보인 30m 이내의 복도에서 실시하였다. 대기전력 차단률 실험에서는, RFID 태그를 통해 마스터 장치에서 사용자 여부를 인식하고, 이에 대한 정보를 무선통신을 통해 사용자 ID가 등록된 슬레이브 장치에 전송하여 릴레이스위치 제어를 통해 대기전력을 차단하였으며, 50회 실시하여 전부 성공하였다.
이 실험에서는 시스템 성능에 대한 실험을 위해 5종의 KS규격 제품만을 사용하였으며, 그 동작 성능에서는 오인식, 오작동의 문제는 발생하지 않았다. RFID 리더는 13.

성능/효과

또한, 복도에서의 대기전력 차단 실험에서도 50회의 실험 실시 결과 100%의 대기전력 차단률을 보였다.
본 논문에서 구현한 대기전력 차단시스템은 최적의 적용반경이 30m 전후이고 장애물이 겹쳐있지 않는 경우이기 때문에 내장형 안테나 통신모듈을 선택하여도 좋다고 볼 수 있다.
이를 통해 무선 통신 기반에서 ZigBee를 사용하는 것이 주변 환경의 영향이 있기는 하지만 일정한 거리에서는 비교적 안정적으로 사용 가능했다. 사무실 실내 환경에서의 전송 거리는 30m 거리에서 아주 안정적이었으며, 이는 실험 환경의 차이를 배제하고 단순히 전송 거리를 측정한 결과임을 감안하더라도 구현 시스템의 성능이 상당히 안정적임을 알 수 있다.
실험 결과에서 전송 거리를 보면 복도에서의 데이터 전송은 60m까지 전송 할 수 있었고, 최적 거리는 50m 정도였다. 그리고 실험 환경에 상관없이 모든 구간이 5초 이내에 ZigBee 통신 모듈의 연결이 이루어졌다.
반면에, 이 시스템은 건물 출입 시스템과 연동하여 대기전력 절감 장치들을 제어할 수 있어 그 설치가 용이하다. 이는 거리별 RFID 태그 데이터 전송 실험을 통해, 단거리 데이터 전송에 사용이 적합하다는 것을 증명하였다.
대기전력 차단률 실험에서는, RFID 태그를 통해 마스터 장치에서 사용자 여부를 인식하고, 이에 대한 정보를 무선통신을 통해 사용자 ID가 등록된 슬레이브 장치에 전송하여 릴레이스위치 제어를 통해 대기전력을 차단하였으며, 50회 실시하여 전부 성공하였다. 이를 통해 시스템성능이 비교적 안정적임을 확인하였다.
장애물이 없는 복도에서의 데이터 전송은 60m까지 아주 안정적으로 인식할 수 있다는 것을 보여주고 있으며, 인식 시간을 고려한 최적 거리는 50m 정도였다. 그 이상의 거리에서는 매우 불안정한 인식을 보였다.
100m 이상 거리에서도 불안정 하기는 하지만 데이터 인식이 이루어졌다. 장애물이 있는 사무실에서의 데이터 전송은 30m까지는 아주 안정적이었지만, 거리가 늘어남에 따라 그 전송률도 현저히 떨어졌다.

후속연구

추후 더 연구해야할 과제로는 공간적인 제약 없이 사용이 가능하도록 ZigBee 중계기 등을 사용하여 각각 여러 독립된 공간에 대한 적용 방법이 연구 되어야 할 것이며 다양한 환경의 신뢰성 확보에도 연구가 더 있어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대기전력은 무엇인가?	따라서, 한정된 에너지 자원에 대한 보다 높은 효율의 사용 방법으로 대기전력 절감에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다[3]. 대기전력은 실제로 사용하지 않는 상태에서 소비되는 전력으로서 타이머 또는 모니터 표시 등과 같이 사무기기 및 가전기기 본래의 작동과 무관하게 소비되는 전력을 말한다. 대기전력을 줄이는 방법은 사무기기 및 가전기기를 사용하지 않을 경우 플러그를 뽑아 대기전력을 줄이는 것이 제일 좋지만, 번거로움과 불편함이 많다.
	스마트그리드의 핵심 기술로는 어떤 것들이 있는가?	스마트그리드 기술의 핵심으로 USN(Ubiquitous Sensor Network) 중 ZigBee, BlueTooth 기술을 들 수 있다. 최근 ZigBee, BlueTooth는 1m 이내 거리의 WBAN(Wireless Body Area Network) 및 수십 미터 이내 거리의 WPAN(Wireless Person Area Network) 통신 방법으로 각광받고 있고, 실제로 RFID의 센싱 데이터 송수신에 유선 인터페이스를 대치할 수 있는 대안이 될 것으로 보인다[5][6].
	ATMEGA-8L가 최단 시간 내에 최소 비용으로 개발이 가능한 장점이 있는 이유는 무엇인가?	이 모델은 효율적인 I/O포트 구조와 내부 발진회로, 타이머, 시리얼 통신(UART), SPI, AD변환기 등이 내장되어 있다. 또한, 내부에 플래쉬 메모리가 내장되어 있기 때문에 최단 시간 내에 최소 비용으로 개발이 가능한 장점이 있어 대기전력 감시제어, 소비전력 감시, 과전류 감시, WSP-WAP간 통신 프로토콜 처리기능을 수행한다. 또한 산술, 논리 요소뿐 아니라 데이터 저장을 위한 읽기 쓰기 메모리, 코드 저장을 위한 플래시와 같은 읽기 전용 메모리, 계속적인 데이터 저장을 위한 EEPROM, 주변 기기, 입출력 인터페이스 등의 부가 요소를 통합한다.

참고문헌 (8)

김진원, 에너지통계연보 2011, 지식경제부 에너지 경제연구원, 2011.
Y. J. Kim, K. M. Im, and J. H. Lim, "Design and Implementation of Standby Power Control System based on the User's Location for Power Energy Saving," Journal of KISS : Information networking, Vol.39, No.1D, pp.378-380, 2012.
S. H. Kim, D. K. Kim, N. R. Kwak, and Y. C. Oh, "SPCS: Standby Power Control System to save energy," Journal of the Korea Information Science Society, Vol.37, No.2B, pp.375-379, 2010.
Y. H. Yang, S. Y. Kim, and P. J. Lee, "Improved Authentication and Data Protection Protocol of Passive RFID Security Tag and Reader," Journal of Korea Institute Of Information Security And Cryptology, Vol.20, No.1, pp.85-94, 2010.
강경현, 정광수, "무선 센서 네트워크에서 전력 생산 환경을 위한 에너지 인식라우팅 프로토콜", 정보과학회논문지, 제38권, 제3호, pp.207-217, 2011.
G. Ferrari, P. Medagliani, S. Di Piazza, and M. Martalo, "Wireless Sensor Networks: Performance Analysis in Indoor Scenarios," EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, Vol.21, No.1, pp.27-38, 2007.
김원호, "에너지 센서 네트워크를 위한 무선 스마트 플러그 설계", 통신위성우주산업연구회논문지, 제6권, 제2호, pp.131-135, 2011.

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정규석, 서동민, 박용민, 유재수, "RFID/USN 기술을 이용한 지능형 절전관리 시스템 설계 및 구현", 한국콘텐츠학회 2009 춘계 종합학술대회 논문집, 제7권, 제1호, pp.526-531, 2009.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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