[논문]전자가격표시시스템의 소모전력 분석 및 최소화 방안

우리나라; 김정준; 서대화

doi:10.14372/iemek.2014.9.2.75

전자가격표시시스템의 소모전력 분석 및 최소화 방안
Power Consumption Analysis and Minimization of Electronic Shelf Label System 원문보기

대한임베디드공학회논문지 = IEMEK Journal of embedded systems and applications, v.9 no.2, 2014년, pp.75 - 80

우리나라 (CEST) , 김정준 (Kyungpook National University) , 서대화 (Kyungpook National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Energy consumption of sensor nodes is minimized because it has limited energy generator in wireless sensor network. Electronic shelf label system is one of application fields using wireless sensor networks. Battery size of small apparatus for displaying price is restricted. Therefore its current consumption have to be minimized. Furthermore the method for minimization of peak current would be considered because life cycle of coin battery used to display or RF is vulnerable to intensity of drain current. In this paper, we analyze current consumption pattern of low-power electronic shelf label system. Then we propose the method for minimization of current consumption by modification of software and hardware. Current consumption of the system using proposed method are approximately 15 to 20 percent lower than existing system and the life cycle of the system is approximately 10 percent higher than existing system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 전력소모가 많은 RF 송수신과 디스플레이를 사용하는 전자가격표시시스템의 전자가격표시기에서 코인 배터리를 사용할 때의 전력소모패턴을 분석하고 전력소모를 최소화하기 위한 방안을 제안하였다. 피크전류 및 기본 소모 전류를 줄이기 위함과 동시에 큰 전류를 순간적으로 소모 시 발생하는 코인 배터리의 데미지를 줄이기 위하여 커패시터와 저전압 구동방식을 제안하였다.
특히 실제 시스템에 적용하여 배터리의 효율을 높이는 연구와 H/W 성능개선에 관한 연구는 미비한 실정이다. 본 논문에서는 코인배터리를 사용하는 상용전자가격표시시스템의 소모전력을 분석하고 코인배터리의 효율을 높이기 위한 H/W 성능 개선 방안 및 다양한 관점에서의 성능 개선 방안을 제안한다.

제안 방법

본 장에서는 III장에서 제안한 소모전력 최소화 방안을 적용할 때 감소하는 소모전력을 측정하여 기존 소모전력값과 비교한다.
본 장에서는 기존 전자가격표시기의 전력 소비량을 분석하고 어떤 문제점이 있는지를 분석한다. 그림 1에서와 같이 전자가격표시기는 서버로부터 디스플레이를 위한 이미지를 수신 받는다.
실제 시스템에서는 전자가격표시기의 이미지 디스플레이를 하루에 10번 이하로 실행하며, 그림 2와 동일한 패턴을 가지는 방식으로 정상동작 시 전자가격표시기의 배터리 수명은 이론상 수년이 된다. 실험시간의 단축을 위하여 그림 2와 동일한 패턴을 반복 실행하는 방식으로 제안한 소모전력 최소화 방안을 적용하였을 때, 기존 방식과의 배터리 수명 차이를 비교하였다.
본 논문에서는 전력소모가 많은 RF 송수신과 디스플레이를 사용하는 전자가격표시시스템의 전자가격표시기에서 코인 배터리를 사용할 때의 전력소모패턴을 분석하고 전력소모를 최소화하기 위한 방안을 제안하였다. 피크전류 및 기본 소모 전류를 줄이기 위함과 동시에 큰 전류를 순간적으로 소모 시 발생하는 코인 배터리의 데미지를 줄이기 위하여 커패시터와 저전압 구동방식을 제안하였다. 기존 방식과 제안하는 방식의 소모전력을 비교 실험한 결과, 실험 조건과 구간에 따라 차이가 있으며 기존 대비 약 15 ~ 20%의 효율을 가진다.

대상 데이터

디스플레이의 크기에 따라 이미지의 크기가 달라지며, 통신성능 및 신뢰도에 영향을 미치기 때문에 적절한 시스템 설계가 중요하다. 본 실험에서는 172x72 사이즈의 디스플레이, 이미지 송수신을 위한 RF 모듈을 장착하여 제작한 소형 전자가격표시기를 사용한다. 실험 시 사용한 파라미터 값은 표 1에 나타내었다.

성능/효과

피크전류 및 기본 소모 전류를 줄이기 위함과 동시에 큰 전류를 순간적으로 소모 시 발생하는 코인 배터리의 데미지를 줄이기 위하여 커패시터와 저전압 구동방식을 제안하였다. 기존 방식과 제안하는 방식의 소모전력을 비교 실험한 결과, 실험 조건과 구간에 따라 차이가 있으며 기존 대비 약 15 ~ 20%의 효율을 가진다. 배터리의 수명시간은 기존대비 약 10% 정도 늘어나는 것을 확인할 수 있다.
1 V 이하로 낮아진다. 기존방식의 배터리 전압이 제안하는 방식의 배터리 전압보다 먼저 2.1 V 이하로 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
시스템의 성능을 유지하면서 시스템의 동작범위 내에서 최대한 낮은 전압으로 시스템을 구동할 수 있으며, 이는 피크 및 평균 소모전류를 줄이는데 아주 효과적이다. 배터리 구동의 임베디드 시스템에서는 최소한의 소모전력을 가지고 최대의 시간으로 동작하도록 하기 위하여 최대한 낮은 전압으로 효율적인 성능을 나타내도록 설계하는 것이 중요하다.
높게 형성된 그래프가 기존방식으로 사용할 때의 소모전류 그래프이며, 낮게 형성된 그래프가 제안한 방식으로 사용할 때의 소모전류 그래프이다. 전체적으로 기존방식의 소모전력 그래프와 제안한 방식의 소모전력 그래프가 차이나는 것을 확인할 수 있다. RF 송수신 부분은 확연한 차이를 보이며, 긴 시간의 디스플레이 구간 역시 소모전류가 차이나는 것을 확인할 수 있다.
표 3는 그림 4의 블록도와 같이 전자가격표시기에 커패시터를 장착했을 때의 소모전력을 기존 소모전력과 비교한 표이다. 커패시터를 장착하면 배터리로부터 급격히 출력되는 전류의 양이 적어지기 때문에 소모전류가 높은 RF 사용 시 소모전력이 약22% 정도 감소하고, 디스플레이 시 그보다 낮은 약10% 정도 감소하는 것을 확인할 수 있다. RF 사용시간이 디스플레이 시간에 비하여 아주 짧은 시간이므로 전체 효율은 약 10% 정도 좋아진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자가격표시기는 어떤 배터리를 주로 사용하는가?	전자가격표시기는 단가 및 편의성 문제로 작고 높은 효율의 코인배터리를 주로 사용한다. 그러나 대부분의 무선센서노드와 마찬가지로 전자가격표시기 역시 이미지 수신을 위하여 높은 전력을 필요로 하며, 이는 코인 배터리의 수명에 큰 영향을 준다[2, 3].
	DMAC의 특징은 무엇인가?	[10]에서는 DMAC이 제안되었다. DMAC은 데이터 수집 트리를 이용하여 높은 에너지 효율성과 낮은 전송지연을 제공한다. 모든 노드는 네트워크경로 설정을 위하여 데이터 수집 트리를 구성한다.
	전자가격표시시스템을 구성하는 장치들은 각각 어떤 역할을 수행하는가?	전자가격표시시스템은 크게 전자가격표시기, 게이트웨이, 서버의 3가지 장치로 구성된다. 전자가격표시기는 상품 정보와 가격을 표시하며, 2인치의 소형 디스플레이부터 6인치의 대형 디스플레이까지 용도에 따라 선택가능하다. 게이트웨이는 전자가격표시기와 서버 사이에서 데이터 전달을 담당한다. 마지막으로 서버는 전가가격표시기의 관리와 정보변경 등의 역할을 수행한다. 전자가격 표시시스템은 무선센서네트워크 기반의 응용시스템으로, 제한된 자원, 전력소모, 가격, 수명 등의 문제를 가진다.

참고문헌 (11)

J. Yu, "Proposal of Electronic Shelf Label System for Smart Shopping," Journal of the Korea society of computer and information, Vol. 19, No. 2, pp.25-29, 2011 (in Korean).
P. Mars, D. McIntosh, "Using a Super-capacitor to Power Wireless Nodes from a Low Power Source such as a 3V Button Battery," Proceedings of IEEE ITNG, pp.69-78, 2009.
NORDIC semiconductor and Energizer, "High pulse drain impact on CR2032 coin cell battery capacity," Technical document.
M. Kang, T. Kim, B. Choi, and H. Kim, "Design of Low Power Processor based Sensor Node Hardware for Applications of Hydroponics," Journal of IEMEK, Vol. 3, No. 1, pp.34-41, 2008 (in Korean).
H. Kim, C. Kim, and H. Shin, "Battery Lifetime Estimation Considering Various Power Profiles in Wireless Sensor Node," Journal of IEEK, Vol. 46, No. 12, pp.43-49, 2009 (in Korean).
Y. Yoo, J. Choi, N. Kim, "Power Consumption Analysis of Sensor Node According to Beacon Signal Internal in IEEE 802.15.4 Wireless Star Network," Journal of KICS, Vol. 31, No. 9B, pp.811-820, 2006 (in Korean).
J. Cho, T. Kwon, Y. Choi, "A Joint Wakeup Scheduling and MAC Protocol for Energy Efficient Data Forwarding in Wireless Sensor Networks," Journal of KICS, Vol. 33, No. 4, pp.207-214, 2008 (in Korean).
M. Jeong, S. Ahn, J. Lee, "Performance improvement and implementation of low-power MAC protocol on wireless sensor network," Proceedings of The Fall Conference of KIECS, Vol. 3, No. 2, pp.206-210, 2009 (in Korean).
W. Ye, J. Heidemann, D. Estrin, "An Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks," Proceedings of INFOCOM, 2002.
G. Lu, B. Krishnamachari. C. Raghavendra, "An Adaptive Energy-Efficient and Low-Latency MAC for Data Gathering in Wireless Sensor Networks," Proceedings of IPDPS 2004.
Texas instruments Inc., Current Savings in CC254x Using the TPS62730, Application Note AN097, Feb. 2012.

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