본 논문은 건물 차양을 위한 RF제어 시스템 제작에 관한 연구이다. 저전력, 저전압 UHF 무선 송 수신 칩인 CC1020을 사용하여 주파수 447.8625~447.9875, Data rate 4800Baud, Channel spacing 12.5kHz, SPDT 스위치로 입출력 분리하여 설계하여 Microcontroller 프로그램 하였다. 안테나는 나선형 Helical 안테나 형태로 제작하였다. 시작 제품을 주파수 447.8625~447.9875 무선 공중선 전력을 측정하여 실험한 결과 소출력 무선기기 기준인 10dBm을 넘지 않았다. 차양 효과 실험은 차양을 25%, 50%, 75% 위치에서 실내 온도 및 조도를 1시간 단위로 측정하였다. 실험결과 25% 위치시 조도는 82~87%로 낮아지고, 온도는 $0.6{\sim}1.4^{\circ}C$ 낮아졌으며, 50% 위치시 조도는 60~68%로 낮아지고, 온도는 $2.3{\sim}4.1^{\circ}C$ 낮아졌다. 75% 위치시 조도는 41~47% 낮아지고, 온도는 $3.4{\sim}5.1^{\circ}C$가 낮아졌다.
본 논문은 건물 차양을 위한 RF 제어 시스템 제작에 관한 연구이다. 저전력, 저전압 UHF 무선 송 수신 칩인 CC1020을 사용하여 주파수 447.8625~447.9875, Data rate 4800Baud, Channel spacing 12.5kHz, SPDT 스위치로 입출력 분리하여 설계하여 Microcontroller 프로그램 하였다. 안테나는 나선형 Helical 안테나 형태로 제작하였다. 시작 제품을 주파수 447.8625~447.9875 무선 공중선 전력을 측정하여 실험한 결과 소출력 무선기기 기준인 10dBm을 넘지 않았다. 차양 효과 실험은 차양을 25%, 50%, 75% 위치에서 실내 온도 및 조도를 1시간 단위로 측정하였다. 실험결과 25% 위치시 조도는 82~87%로 낮아지고, 온도는 $0.6{\sim}1.4^{\circ}C$ 낮아졌으며, 50% 위치시 조도는 60~68%로 낮아지고, 온도는 $2.3{\sim}4.1^{\circ}C$ 낮아졌다. 75% 위치시 조도는 41~47% 낮아지고, 온도는 $3.4{\sim}5.1^{\circ}C$가 낮아졌다.
This paper is based on the fabrication of wireless control system for the building shading device. RF Module was controlled by UHF wireless CC1020 chip which has low electrical power and low electrical voltage. Also 447.8625~447.9875 frequency, 4800Baud data rate and 12.5 kHz channel spacing was con...
This paper is based on the fabrication of wireless control system for the building shading device. RF Module was controlled by UHF wireless CC1020 chip which has low electrical power and low electrical voltage. Also 447.8625~447.9875 frequency, 4800Baud data rate and 12.5 kHz channel spacing was controlled by the use of SPDT switch and with Microcontroller program. Furthermore, the helical antenna was used. The starting production of 447.8625~447.9875 kHz wireless electrical power was used. As the result, it did not exceed 10dBm which is the standard of low power wireless system. Shading efficiency was measured at 25%, 50%, 75% direction with controlling the interior temperature and the intensity of illumination at the rate of 1 hour. As the result, the intensity of illumination was lowered to 82~87% at 25% direction with $0.6{\sim}1.4^{\circ}C$ lowered temperature. At 50% direction, the intensity of illumination was lowered to 60~68% with $2.3{\sim}4.1^{\circ}C$ lowered temperature. And at 75% direction, the intensity of illumination was lowered to 41~47% with $3.4{\sim}5.1^{\circ}C$ lowered temperature.
This paper is based on the fabrication of wireless control system for the building shading device. RF Module was controlled by UHF wireless CC1020 chip which has low electrical power and low electrical voltage. Also 447.8625~447.9875 frequency, 4800Baud data rate and 12.5 kHz channel spacing was controlled by the use of SPDT switch and with Microcontroller program. Furthermore, the helical antenna was used. The starting production of 447.8625~447.9875 kHz wireless electrical power was used. As the result, it did not exceed 10dBm which is the standard of low power wireless system. Shading efficiency was measured at 25%, 50%, 75% direction with controlling the interior temperature and the intensity of illumination at the rate of 1 hour. As the result, the intensity of illumination was lowered to 82~87% at 25% direction with $0.6{\sim}1.4^{\circ}C$ lowered temperature. At 50% direction, the intensity of illumination was lowered to 60~68% with $2.3{\sim}4.1^{\circ}C$ lowered temperature. And at 75% direction, the intensity of illumination was lowered to 41~47% with $3.4{\sim}5.1^{\circ}C$ lowered temperature.
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문제 정의
본 연구는 RF 제어시스템 구축으로 각종 차양 장치를 건물 내,외부 환경 조건에 대해 능동적으로 대처할 수 있으며, 설치공사의 번거로움 및 각종 배선처리의 문제점을 해결 하고자 한다. 아울러 장애물이나 거리제한 없이 메시지 전달 방식의 RF 무선네트워크를 구성하여[6], 출입관제, 조명관제, 소방관제, 주차관제, 방범관제 등의 네트워크시스템과 접속하여 건물 전체를 실시간적으로 통합 감시 및 제어를 할 수 있도록 하고자 하였다.
본 연구는 기존의 무선 네트워크로 사용되는 대표적인 시스템인 Zigbee, Bluetooth, 무선 LAN등의 단점인 통신거리, 건물 구조상의 장애물 발생시 보완대책, 네트워크 구축상의 복잡성, 유지 보수성, 시스템 가격등을 보완하고, 개선하여 건물 차양을 효과적으로 무선 제어 할 수 있도록 한 것이다.
본 연구는 RF 제어시스템 구축으로 각종 차양 장치를 건물 내,외부 환경 조건에 대해 능동적으로 대처할 수 있으며, 설치공사의 번거로움 및 각종 배선처리의 문제점을 해결 하고자 한다. 아울러 장애물이나 거리제한 없이 메시지 전달 방식의 RF 무선네트워크를 구성하여[6], 출입관제, 조명관제, 소방관제, 주차관제, 방범관제 등의 네트워크시스템과 접속하여 건물 전체를 실시간적으로 통합 감시 및 제어를 할 수 있도록 하고자 하였다.
제안 방법
PCB는 2층으로 설계하였고 각 부품의 Library를 작성 Component로 부호화 하여 파트별로 구분하였다. PCB를 Top Layer와 Bottom를 나누어 크기를 최소화하도록 배치하였으며, AC와 DC를 분리하여 AC쪽은 Copper를 제외시켜 노이즈를 없애도록 하였다.
PCB는 2층으로 설계하였고 각 부품의 Library를 작성 Component로 부호화 하여 파트별로 구분하였다. PCB를 Top Layer와 Bottom를 나누어 크기를 최소화하도록 배치하였으며, AC와 DC를 분리하여 AC쪽은 Copper를 제외시켜 노이즈를 없애도록 하였다. Route시 제어 부분은 0.
RF IN과 RF Out은 T/R 스위치에서 송 ∙ 수신시 스위치 Matching 테스트를 실시하였다.
RF 수신대기 상태에서 데이터 전송시 각 각의 송신 및 수신 신호를 Oscilloscope로 측정하였다. 이 측정 데이터를 바탕으로 필드테스트를 수행하였다.
Route시 제어 부분은 0.5∼1.2mm 패턴으로 사용하였고, Power 패턴은 3∼5mm로 설계하였다.
장소는 사무실내 창문에 총 3개를 설치하여 차양 모터 리모콘으로 실내 테스트를 하였으며, 밖에서 차양 모터 리모콘 동작으로 차양 모터 제어기들의 동작을 테스트 하는 실외 테스트를 하였다. 그리고 차양 원단을 변경해 가며 사무실내 온도 및 조도를 측정하여 차양 효과를 실험하였다.
동작 실험은 각 부품의 동작 특성을 확인할 수 있는 테스트 포인트를 두고 Oscilloscope로 확인하였다.
측정 실험은 변조와 무변조를 선택하여 각 주파수별 스펙트럼 아날라이저를 이용하여 공중선 전력을 측정하였다. 송출신호는 Carrier 주파수에 연속으로 무선을 송출 측정하여 설정주파수가 오차 범위를 넘지 않는지 실험하였다. 무변조신호시에는 데이터를 송출하지 않았으며, 변조시에는 데이터 신호를 주기적으로 전송하였다.
실내 테스트는 차양이 설치된 사무실 문을 닫은 상태에서 그림 14에 나타낸 5개의 테스트 포인트에서 100번의 신호를 보내어 성공률 테스트를 하였다.
실시 시 ①, ②가 측정점으로 차양 모터 제어기의 RF 수신 테스트 포인트를 측정하여 데이터 수신시와 수신하지 않는 상태를 측정하였다.
RF 수신대기 상태에서 데이터 전송시 각 각의 송신 및 수신 신호를 Oscilloscope로 측정하였다. 이 측정 데이터를 바탕으로 필드테스트를 수행하였다. 그림 12에서 ①은 수신되는 데이터 신호이며, ②는 송신 데이터이다.
필드 테스트는 차양 모터 제어기에 차양 모터를 연결하여 동작 테스트를 하였다. 장소는 사무실내 창문에 총 3개를 설치하여 차양 모터 리모콘으로 실내 테스트를 하였으며, 밖에서 차양 모터 리모콘 동작으로 차양 모터 제어기들의 동작을 테스트 하는 실외 테스트를 하였다. 그리고 차양 원단을 변경해 가며 사무실내 온도 및 조도를 측정하여 차양 효과를 실험하였다.
차양이 설치된 사무실에서 시간은 오후 12:00기준으로 1시간 단위로 온도 및 실내 유입되는 조도를 측정하였다. 테스트는 3일 동안 총 10번 하였으며, 태양의 위치를 고려하여 실험시간 마다 차양 위치를 다르게 하여 실험하였다.
측정 실험은 변조와 무변조를 선택하여 각 주파수별 스펙트럼 아날라이저를 이용하여 공중선 전력을 측정하였다. 송출신호는 Carrier 주파수에 연속으로 무선을 송출 측정하여 설정주파수가 오차 범위를 넘지 않는지 실험하였다.
차양이 설치된 사무실에서 시간은 오후 12:00기준으로 1시간 단위로 온도 및 실내 유입되는 조도를 측정하였다. 테스트는 3일 동안 총 10번 하였으며, 태양의 위치를 고려하여 실험시간 마다 차양 위치를 다르게 하여 실험하였다. 차양의 25% 위치 결과, 원단에 따라 조도는 13%∼18% 낮아 졌으며, 사무실내 온도는 0.
필드 테스트는 차양 모터 제어기에 차양 모터를 연결하여 동작 테스트를 하였다. 장소는 사무실내 창문에 총 3개를 설치하여 차양 모터 리모콘으로 실내 테스트를 하였으며, 밖에서 차양 모터 리모콘 동작으로 차양 모터 제어기들의 동작을 테스트 하는 실외 테스트를 하였다.
대상 데이터
RF 측정 실험은 차양 모터 제어기 및 차양 모터 리모콘의 테스트 시료를 준비하였으며 측정방법은 다음과 같다. 차양 모터 제어기의 RF 측정을 위해 준비된 시료는 그림 3과 같다.
본 논문에서는 저전력 저전압 UHF 무선 송 ∙ 수신 칩인 Chipcon사의 CC1020을 사용하여 설계하였다. CC1020를 제어하기 위한 Program 동작순서는 그림1에 나타냈다.
주파수 설정에 사용되는 레지스터들은 FREQ_2A, FREQ_1A, FREQ_0A, FREQ_2B, FREQ_1B, FREQ_0B 주파수 Register가 있으며 CLOCK_A, CLOCK_B 클럭 발생 레지스터가 있다. 레지스터 값은 다음과 같은 식으로 계산된다.
측정에 사용된 안테나는 나선형 Helical 안테나 형태로 만들었으며, 재질은 Cu-PLATING으로 제작하였다. 구조는 그림 5와 같다.
성능/효과
넷째, 차양을 25%, 50%, 75% 위치에서 실내 온도 및 조도를 1시간 단위로 측정한 결과 25% 위치시 조도는 82∼87%로 낮아지고, 온도는 0.6∼1.4℃ 낮아졌으며, 50% 위치시 조도는 60∼68%로 낮아지고, 온도는 2.3∼4.1℃ 낮아졌다.
둘째, 시작제품은 주파수 447.8625∼447.9875 MHz 무선 공중선 전력을 측정하여 실험한 결과 소출력 무선기기 기준인 10dBm을 넘지 않았다.
1℃가 낮아졌다. 따라서 차양은 여름철에는 외부로부터 유입되는 태양빛을 차단할 수 있을 뿐만 아니라, 실내 온도를 낮추는 효과를 보였고, 겨울철에는 실내 온도가 외부로 방출되는 것을 차단하는 효과를 보이고 있음을 확인하였다.
본 연구를 통하여 차양 장치 시스템을 통하여 태양(빛, 열)차단 및 유입으로 건물 에너지 절감 효과가 있음을 확인하였다. 그러나 고성능 에너지 절감을 위하여 태양의 위치, 실내온도, 계절 및 타 시스템 연계 등을 통한 연구가 이루어 진다면 더욱 효과적인 시스템이 될 것으로 기대한다.
셋째, 실내에 5개의 테스트 포인트를 두고 측정한 결과 실내에서는 철문으로 차단된 공간에서는 수신감도가 낮았으며 이를 보완하기 위해 중간에 차양 모터 제어기를 설치하여 통신이 개선되었음을 확인하였다.
테스트 결과 ①, ④ 지역은 통신 실패 없이 모두 수신되었으나, 그 외 지역은 적게는 1번, 많게는 3번 정도 통신 실패가 있었다. 실패 분석 결과 ②지역은 단순한 데이터 오류가 1번 발생하였으며 ③, ⑤ 지역에서는 수신감도가 ①, ④ 지역에 비해 낮게 나타났다.
차양의 25% 위치 결과, 원단에 따라 조도는 13%∼18% 낮아 졌으며, 사무실내 온도는 0.6℃∼1.4℃가 낮아졌다.
첫째, RF Module은 UHF 무선 송∙수신 칩인 CC1020을 사용하여 주파수 447.8625∼447.9875, Data rate 4800Baud, Channel spacing 12.5kHz, SPDT 스위치로 입출력 분리하여 설계하여 저전력, 저전압은 물론 전력 소모 측면에서 효용성이 뛰어나고, 시스템 구현 비용이 저렴하였다.
테스트 결과 ①, ④ 지역은 통신 실패 없이 모두 수신되었으나, 그 외 지역은 적게는 1번, 많게는 3번 정도 통신 실패가 있었다. 실패 분석 결과 ②지역은 단순한 데이터 오류가 1번 발생하였으며 ③, ⑤ 지역에서는 수신감도가 ①, ④ 지역에 비해 낮게 나타났다.
후속연구
본 연구를 통하여 차양 장치 시스템을 통하여 태양(빛, 열)차단 및 유입으로 건물 에너지 절감 효과가 있음을 확인하였다. 그러나 고성능 에너지 절감을 위하여 태양의 위치, 실내온도, 계절 및 타 시스템 연계 등을 통한 연구가 이루어 진다면 더욱 효과적인 시스템이 될 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현대 건축물의 커튼월 구조가 갖는 문제점은?
현대 건축물의 80%이상이 커튼월 구조로 이루어지고 있어, 여름철 복사에 의한 냉방부하와 겨울철 전도에 의한 난방부하의 영향으로 유리를 통한 에너지 손실을 가중시킨다.[3] 이러한 에너지 손실을 저감하기 위해 다양한 커튼월 프레임 방식을 사용하고 있지만 태양열을 제어하는 데에는 한계가 있으며, 맹목적인 차단은 자연채광 능력을 저하시킨다.
차양은 건물의 에너지 절감에 어떤 효과를 갖고 있는가?
[4] 따라서 태양빛의 컨트롤 즉, 차양의 적절한 관리를 필요로 하게 되어, 건축물내로 들어오는 직사광선으로부터 차단시킨다. 그러므로 태양열을 조절하여 열에너지 효율적면에서 건물 냉난방 에너지 및 건물 내의 조도 조절을 가져올 수 있어 자연채광과 에너지 절감에 많은 효과가 있으므로 그린빌딩, 친환경 건축물에 많이 적용된다. 또한 이를 건물 내에서 통합 제어를 할 수 있도록 네트워크화 되어 있으며, 다른 공조 시스템과의 연계 제어가 가능하여 IBS(Intelligent building system)], 첨단 지능형 건축물 등에 적용된다.
커튼월 프레임 방식의 한계는?
현대 건축물의 80%이상이 커튼월 구조로 이루어지고 있어, 여름철 복사에 의한 냉방부하와 겨울철 전도에 의한 난방부하의 영향으로 유리를 통한 에너지 손실을 가중시킨다.[3] 이러한 에너지 손실을 저감하기 위해 다양한 커튼월 프레임 방식을 사용하고 있지만 태양열을 제어하는 데에는 한계가 있으며, 맹목적인 차단은 자연채광 능력을 저하시킨다. 따라서 건축물에 유입되는 일사를 조절하기 위하여 차양을 사용한다.
참고문헌 (11)
REN21"Renewables 2014-Global Status Report"
Kim, jin-ah, Yoon, seong-hwan "An Analysis on Building Energy Reduction Effect of Exterior Ven etian Blind According to Orientation and Reflecta nce of Slat" Journal of the Korean Solar Energy Society. Vol. 33, No 2, 2013
Hu, Z.G, Guo, P.W, Wang, X.L "The Architecture Research of the Building External Shading and Building Energy-Saving System Based on the Intelligent Control" TRANS TECH PUBLICATION LTD, Vol.724-725 No.2, 2013
Chen, S.H, Liu, Y.G, Fang, X. "Home Networking Technology Applied in Smart Home System", TRANS TECH PUBLICATIONS LTD, Vol.468, 2014
Nikolaidis, Ioanis, Iniewski, Krzysztof "Building sensor networks : from design to applications", Boca Raton, [Florida] : CRC Press, 2014
Jin-Hee Park, Soon-Hwa Lee,"Implementation of Modular 3-Band RF for Disaster Voice Communication",The Journal of The Institute of Internet, Broacasting and Communication(JIIBC), Vol.13,No.6, pp.23-28,2013
CC1020 Low-Power RF Tranceiver for Narrowband Systems Manual
Dinh, N.Q, Teranishi, T, Michishita, N, Yamada, Y, Nakatani, K. "Simple Design Equations of Tap Feeds for a Very Small Normal-Mode Helical Antenna" Institute of Electrical and Electronics Engneers, Vol.6 No. 2010
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