[논문]사용자 요구조도 만족 스마트 조명 관리시스템

신대식; 김훈

doi:10.5207/jieie.2013.27.6.001

사용자 요구조도 만족 스마트 조명 관리시스템
A Smart Lighting Management System with Satisfaction of User's Lighting Requirements 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.27 no.6, 2013년, pp.1 - 8

신대식 (인천대학교 전자공학과) , 김훈 (인천대학교 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we proposed a smart lighting management system controls the lighting efficiently to reduce energy consumption while satisfying user's lighting requirements. The proposed system considers the available daylight intensity and indoor light source to satisfy the lighting requirements of each user according to the work environment. In addition, for user convenience, we have developed different user interfaces for lighting control including local interface, and remote interface through internet or Bluetooth for personal computer as well as smart phones. The proposed system satisfies the lighting requirements of each user according to the corresponding work environment. The proposed smart lighting management system utilizes the lighting energy efficiently, and can be considered a significant contribution towards future green buildings.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 스마트 LED 조명제어 관리시스템을 통해서 사용자 요구조도 만족 및 편의를 고려한 저 전력 조명제어시스템을 목적으로 하고, 이를 시스템화하여 구현하는 연구를 진행하였다. 광센서를 기반으로 태양광과 타조명의 영향을 고려하였으며, PWM 디밍 방식을 적용하고 세분화된 개별 영역별로 사용자의 업무 환경에 적합한 조도 수준을 유지하도록 하였다.
본 장에서는 태양광을 고려하면서 업무환경에 따라 영역별로 사용자의 요구사항을 받아들여 제어할 수 있는 스마트 LED 조명제어 관리시스템을 제시한다.
이에 본 논문에서는 사용자의 편의를 고려한 스마트 조명 관리 시스템을 제안한다. 사용자로부터 요구조도를 입력받아 태양광과 타 조명 영향을 고려하여 최적의 조도 구성하고 이를 제어하는 것을 목적으로 한다. 중앙 서버 컴퓨터에서는 제어 관리 시스템을 구축하고, PWM 디밍 방식을 기반으로 조명 시스템을 제어한다.
업무환경에 따른 사용자들의 요구조도를 만족하면서 LED 조명 시스템의 에너지 소비를 최소화하는 조명제어기법을 제시한다. 조명제어를 위해서는 내부광원의 조도 분석이 필요하다.
또한 실내 각 영역별로 사용자의 위치와 작업 형태에 따라 요구되는 적정 수준의 조도를 유지함으로써 추가적인 에너지 저감 효과를 기대할 수 있으며, 이에 필요한 정보의 입력과 결과 확인을 용이하게 함으로써 시스템 이용 편의성을 향상시킬 수 있게 된다. 이에 본 논문에서는 사용자의 편의를 고려한 스마트 조명 관리 시스템을 제안한다. 사용자로부터 요구조도를 입력받아 태양광과 타 조명 영향을 고려하여 최적의 조도 구성하고 이를 제어하는 것을 목적으로 한다.

가설 설정

125s가 된다. 이는 테스트 베드 환경에서 재실자에게 시각적 불편함을 주지 않으며 태양광 유입에 따른 요구조도 값의 제어에 적절한 값으로 가정한다.

제안 방법

관리자 PC에서는 태양광과 인접조명의 영향을 고려한 스마트 조명제어 방법의 효율성 확인을 위해 ON-OFF방법과 개별영역 조명제어 방법을 비교하여 모니터링 한다. 상단 좌측에 비교된 조명 제어 방법 중 ON-OFF 조명제어는 태양광이나 인접 조명 영향을 고려하지 않고 모든 조명의 조도가 전체 영역에서 최고 요구 조도 수준으로 맞추어 제어된다.
본 논문에서는 스마트 LED 조명제어 관리시스템을 통해서 사용자 요구조도 만족 및 편의를 고려한 저 전력 조명제어시스템을 목적으로 하고, 이를 시스템화하여 구현하는 연구를 진행하였다. 광센서를 기반으로 태양광과 타조명의 영향을 고려하였으며, PWM 디밍 방식을 적용하고 세분화된 개별 영역별로 사용자의 업무 환경에 적합한 조도 수준을 유지하도록 하였다. 또한, 윈도우기반의 응용프로그램, 안드로이드 기반의 응용프로그램을 이용하여 요구 조도 입력과 제어된 조도 수치 및 에너지 소비 현황을 실시간으로 확인하게 하는 등 사용자 이용 편의성과 정보 제공성에 개선을 도모하였다.
또한 개별 영역 조명제어는 각 영역에 위치한 조명의 조도가 태양광이나 인접 조명 영향을 고려하지 않고 해당 영역별 요구 조도 수준으로 제어되는 것을 말한다. 그리고 본 논문에서 제안하는 스마트 조명제어는 실측 조도를 반영하고 태양광과 인접조명의 영향을 고려하면서 영역별로 요구조도를 만족하도록 개별 조명 제어를 하는 방법이다.
그림 6과 같이 인터넷을 기반으로 한 윈도우 응용프로그램과 스마트폰의 블루투스 통신을 기반으로 한 안드로이드 응용프로그램 어플리케이션을 개발하였다. 어플리케이션을 이용하여 영역별 요구조도 값을 직접 입력하여 조도를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 평시, 회의, 정밀작업, 전원 OFF 등 편의기능을 제공하여 사용자는 서버에 저장되어 있는 값으로 편리하게 조명 제어가 가능하다.
중앙 서버 컴퓨터에서는 제어 관리 시스템을 구축하고, PWM 디밍 방식을 기반으로 조명 시스템을 제어한다. 또한 사용자의 편의성을 고려한 윈도우 기반의 응용프로그램, 안드로이드 기반의 응용프로그램을 이용하여 제어할 수 있도록 구현하였다.
그림 4는 본 연구에서 제시된 스마트 조명제어 관리 시스템의 주요 구성요소를 보인다. 일반적으로 광센서의 부착 위치는 재실자의 행위 용이성을 감안 천장에 부착하게 되는데, 본 연구에서는 테스트베드 구축 및 시험 시 편의성을 고려 광센서를 파티션에 설치하였으며, 시험 환경에서 재실자에 의한 방해가 생기지 않은 조건에서 실험되었다. 광센서로부터 들어온 현재조도 정보는 연산제어장치로 전달된다.
전체주기는 5ms이고 이에 따라 한 영역의 가장 밝은 값(약 650lx)의 펄스폭은 약 5ms이며, 이와 반대로 가장 어두운 값의 펄스폭은 약 0ms이다. 총 135단계로 나누어 5ms/135=37㎲씩 펄스의 폭을 한단계씩 증가시키거나 감소시켜 조도를 제어를 한다. 현재 조도와 요구 조도의 차가 일정수치 이내일 경우 LED의 조광 레벨에 변화를 주지 않는다.
창 하단에는 사용자의 개별 영역 요구조도 입력과 현재 조도 값, 소비전력 표시기능을 포함된다. 하단의 편의기능을 선택할 시 평시모드, 회의평시, 정밀작업, 전원 OFF 등 작업 형태를 선택이 가능하고 각 작업형태에 따라 미리 저장된 영역별 요구 조도를 반영할 수 있게 하였다.
현재조도는 내부광원과 태양광의 전체 빛의 양을 의미하며 각 영역별로 위치한 광센서의 의해 위치별로 측정된다. 현재조도의 측정은 수시로 변화되는 태양광 또는 외부요인으로 인해 실내 조도의 변화가 크게 자주 발생하는 것을 방지하기 위해서 5ms마다 25번 측정한 값의 평균을 계산하도록 하였다. 측정된 조도는 각 영역의 요구 조도 값과 비교되며, 측정-비교-제어의 주기는 약 5ms*25=0.

대상 데이터

그림 3은 스마트 조명제어 관리시스템 테스트 베드를 나타낸 것이다. 가로 1,200mm, 세로 900mm, 높이 600mm 크기로 제작되었으며, 내부에는 사무시설과 조명이 구축되어 있다. 실제 사무실과 유사한 환경으로 태양광이 들어올 수 있는 창문, 컴퓨터를 활용한 작업공간 뿐만 아니라 미팅을 할 수 있는 회의실이 파티션으로 구분되어 있다.
서버와 직접 연결되어 있는 관리자용 단말에서는 사용자 요구 조도 정보 입력과 현재 조도 수준을 제공하는 사용자 단말의 기능을 제공하며, 이 외에도 전력 사용량 정보, 구역별 밝기정보 등의 모니터링 기능을 추가적으로 제공한다. 조명으로는 에너지 효율과 조도 제어 등이 원활하게 제공되는 LED를 고려한다. LED는 제어되는 조도 수준 정보를 연산제어장치로부터 전달받아 이에 의해 조도가 제어된다.

이론/모형

연산제어장치의 조도제어는 PWM방식을 기반으로 한다. 따라서 펄스폭의 비율(Duty Ratio)을 조절하여 밝기를 제어하며 펄스폭의 비율에 따라 조광레벨을 제어할 수 있다.

성능/효과

광센서를 기반으로 태양광과 타조명의 영향을 고려하였으며, PWM 디밍 방식을 적용하고 세분화된 개별 영역별로 사용자의 업무 환경에 적합한 조도 수준을 유지하도록 하였다. 또한, 윈도우기반의 응용프로그램, 안드로이드 기반의 응용프로그램을 이용하여 요구 조도 입력과 제어된 조도 수치 및 에너지 소비 현황을 실시간으로 확인하게 하는 등 사용자 이용 편의성과 정보 제공성에 개선을 도모하였다.
본 연구에서는 여러 실험 환경 중 인접 조명간 불필요한 조명 중첩 현상에 대한 분석을 위해 태양광의 영향을 배제하는 조건에 해당하는 암실에서의 결과를 제시하며, 제안된 방법으로 약 45～60%의 누적 소비 전력 절감 효과를 보임을 알 수 있다. 제안 방법에 따라 인접 조명간의 불필요한 중첩 조명 성분이 발생하지 않고 조명 소비전력을 저감하여 전체 시스템 에너지 소비량을 줄일 수 있다.
본 연구에서는 여러 실험 환경 중 인접 조명간 불필요한 조명 중첩 현상에 대한 분석을 위해 태양광의 영향을 배제하는 조건에 해당하는 암실에서의 결과를 제시하며, 제안된 방법으로 약 45～60%의 누적 소비 전력 절감 효과를 보임을 알 수 있다. 제안 방법에 따라 인접 조명간의 불필요한 중첩 조명 성분이 발생하지 않고 조명 소비전력을 저감하여 전체 시스템 에너지 소비량을 줄일 수 있다. 또한 태양광이 있을 경우 광센서를 통해서 내부광원과 태양광의 전체 빛의 양을 측정할 수 있으며, 연산알고리즘에서는 이를 반영하여 조도제어를 하게 됨에 따라 소비 전력을 저감할 수 있다.

후속연구

업무의 형태나 요구되는 정밀도, 실내 구조 등에 따라 적정 수준의 조도가 상이하므로 영역별 조도 제어가 가능할 경우 작업의 효율을 높일 수 있다. 또한 실내 각 영역별로 사용자의 위치와 작업 형태에 따라 요구되는 적정 수준의 조도를 유지함으로써 추가적인 에너지 저감 효과를 기대할 수 있으며, 이에 필요한 정보의 입력과 결과 확인을 용이하게 함으로써 시스템 이용 편의성을 향상시킬 수 있게 된다. 이에 본 논문에서는 사용자의 편의를 고려한 스마트 조명 관리 시스템을 제안한다.
사람은 일반적으로 눈을 통해서 80% 정도의 주위의 정보를 얻으며 회사, 실험실, 학교 등에서 빛을 적절히 사용함으로써 피로를 줄이고 집중력을 강화할 수 있다. 또한 조명은 사용자의 감성에도 영향을 주며 편안하고 신뢰할 수 있는 분위기를 연출할 수 있고 의사결정을 위한 활동적인 영역의 창출에도 사용될 수 있다. 이처럼 인간은 조명의 도움으로 주변을 인지하고 정보를 얻으며 다양한 일을 수행하며, 조명 환경이 작업의 효율에 미칠 수 있다[9].
본 논문에서 제안하는 사용자 요구조도 만족 스마트 조명 관리시스템의 알고리즘, 어플리케이션, 모니터링 프로그램은 광센서를 활용한 저전력, 지능화 자동 조명 관리시스템 연구에 일조할 것으로 기대된다. 향후 본 연구와 연계하여 보다 실제적인 환경에서의 상세 성능 분석을 진행하고, 광센서 조명시스템의 확산을 위한 기술, 제도적 이슈 분석 및 개선 방안 도출 등 추가적인 연구가 요구된다.
본 논문에서 제안하는 사용자 요구조도 만족 스마트 조명 관리시스템의 알고리즘, 어플리케이션, 모니터링 프로그램은 광센서를 활용한 저전력, 지능화 자동 조명 관리시스템 연구에 일조할 것으로 기대된다. 향후 본 연구와 연계하여 보다 실제적인 환경에서의 상세 성능 분석을 진행하고, 광센서 조명시스템의 확산을 위한 기술, 제도적 이슈 분석 및 개선 방안 도출 등 추가적인 연구가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디밍 제어 기술이란?	조명에 대한 에너지 절감 기술 분야로는 크게 조광(Dimming)제어 기술과 고효율 광원에 관한 연구가 진행되고 있다. 디밍 제어 기술은 조도․재실등의 정보를 기반으로 일정 지역 조명의 밝기를 제어하는 기술을 말한다. LED 디밍 방식은 크게 두 가지로, LED 전류를 선형으로 조절하는 아날로그 디밍 방식과 짧은 시간 동안 LED 전류를 켜고 끄는 수많은 동작을 반복하여 출력하는 디지털 혹은 PWM(Pulse Width Modulation)디밍 방식이 있다.
	LED 광원의 장점은?	또한 고효율 광원의 대표적인 기술로는 LED(Light Emitting Diode)를 들 수 있다. LED 광원은 형광등의 50%, 백열전구의 10% 수준으로 낮은 소비전력을 소모하고 수은이나 충전 가스등 인체에 유해한 물질을 사용하지 않으며 수명이 긴 장점을 가지고 있다.
	스마트 조명제어 시스템의 구성 요소는?	본 스마트 조명제어 시스템의 구조는 그림 1과 같다. 주요 구성 요소로는 사용자 단말, 서버 및 관리자 단말, 연산제어장치 등이 있으며 이 밖에 조명 기구인 LED, 현재조도를 측정하는 광센서 등이 포함된다.

참고문헌 (16)

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