[논문]유무선 원격제어장치를 이용한 LED 가로등 제어 시스템 구현

박성욱; 엄우용

doi:10.5573/ieie.2014.51.10.235

유무선 원격제어장치를 이용한 LED 가로등 제어 시스템 구현
Development of the LED Street Lamp by using Wired and Wireless Remote Control System 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.51 no.10, 2014년, pp.235 - 242

박성욱 (인하공업전문대학 디지털전자과) , 엄우용 (인하공업전문대학 디지털전자과)

초록
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LED 조명 제어 기술은 LED 조명의 효율적인 관리를 위해 지속적으로 연구되는 분야 중의 하나이다. 본 논문에서는 LED 가로등을 원격으로 제어하기 위해 유무선 통신 기능을 가지는 LED 가로등 원격 제어 장치를 설계하고 구현한다. 구현된 원격 제어 장치는 조도 센서를 이용한 자동 디밍이 가능하고, RS-485/422나 Wi-Fi를 이용하여 LED 가로등을 개별(또는 통합) 제어가 가능하다. 실험을 통해 개발된 원격 제어 장치의 기능이 정상적으로 동작함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

LED lighting control technique is one of the ongoing research areas for efficient management of LED lighting. In this paper, we design and implementation of LED street lighting remote control system which have a wired and wireless communication function for LED street lighting remote control. The implemented system can automatically dimming and individual(or consolidated) LED street lighting via RS-485/422 or Wi-Fi. In experimental results, the implemented remote control system was satisfactory for all of the desired functions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 LED 가로등을 원격으로 제어하기 위해 유무선 통신 기능을 가지는 LED 가로등 원격 제어장치를 그림 1과 같이 설계하고 구현한다. 구현된 원격 제어 장치는 조도 센서를 이용한 자동 디밍이 가능하고, RS-485나 Wi-Fi를 이용하여 LED 가로등을 개별(또는 통합) 제어가 가능하다.
본 논문에서는 LED 가로등을 원격으로 제어하기 위해 유무선 통신 기능을 가지는 LED 가로등 원격 제어장치를 설계하고 구현하였다.
현재 사용되고 있는 조명 시설, LED 그리고 지능형 절전 시스템의 문제점을 개선하고자, 본 논문에서는 내장된 LED Dimming System을 활용한 LED 조명 일체형 가로등 등기구를 개발하였다. 이것을 위해 정전류용 Dimming 기능 포함되어 있는 LED 드라이버 DW8501을 사용하여 수동, 자동 Dimming이 가능하도록 설계하였다.

제안 방법

LED 가로등 내에 설치된 제어 보드와의 RS-422/485나 Wi-Fi 통신을 통해 LED 가로등을 PC에서 원격으로 제어하기 위해, Microsoft VC++을 프로그램을 사용하여 개발하였다. 그림 13은 RS-422/485 유선 통신을 이용한 제어 프로그램을 보여준다.
LED 가로등의 Wi-Fi, RS-422/485를 이용한 유무선 제어 기능과 자동 Dimming등의 시스템 제어를 위해 LED 가로등 등기구 내부에 설치할 수 있는 LED 가로등 제어 보드를 개발하였다. 제어 보드에 사용된 MPU는 ARM사의 Cortex-M3 아키텍쳐를 사용한 32bit STM32 MPU를 사용하였다.
LM80 Data를 종합했을 때 약 9만 시간의 L70(조도가 초기의 70%가 되는 수명)를 갖고 있다. 그리고 가로등에 조도 센서를 설치하여 주위 밝기에 따라 자동으로 LED 가로등의 밝기를 제어할 수 있도록 하였으며, 자동 또는 수동으로 Dimming 제어가 가능하도록 설계하였다. 그림 6은 LED 모듈 회로도를 나타내며, 그림 7은 LED 모듈을 사용한 LED 등기구이다.
또한 LED 가로등을 통합 관리 및 제어하기 위해 ARM 32Bit 코어와, 72MHz 속도를 갖는 통합 제어보드를 개발하였으며, RS-485/422 및 Wi-Fi 유/무선 통신망을 통해 최대 5km 범위에서 각 가로등을 통합 제어할 수 있도록 프로그램 및 프로토콜을 개발하였다.
본 논문에서 개발한 LED SMPS는 개선된 단일 PFC(역률 제어) 및 LLC(공진) 컨트롤러로 정확한 정전류(CC) 출력을 갖도록 설계하였다. 또한 회로 단락을 막기 위한 auto-restart 회로를 보강하여 회로 보호 기능을 갖도록 하였으며, 오픈 회로에서의 고장 감지 모드 기능을 갖는 보호 회로를 설계하였다. 히스테리시스(Hysteresls)를 갖는 자동 Thermal-Shutdown Restart 기능이 있으며, 역률 0.
본 논문에서 개발한 LED SMPS는 개선된 단일 PFC(역률 제어) 및 LLC(공진) 컨트롤러로 정확한 정전류(CC) 출력을 갖도록 설계하였다. 또한 회로 단락을 막기 위한 auto-restart 회로를 보강하여 회로 보호 기능을 갖도록 하였으며, 오픈 회로에서의 고장 감지 모드 기능을 갖는 보호 회로를 설계하였다.
본 논문에서는 외부 물기 유입으로 인한 고장 및 오동작이나, 높은 습도에 의한 누전 및 그 이외의 원인으로 인한 오동작을 제거하고, 설치 및 유지보수의 편리성을 위해 감전 보호 기능을 내장한 자동 누전 차단 장치 기능을 LED SMPS 보드에 통합 설계하였다. 기존의 고가의 모듈을 따로 설치하는 것 보다 원가를 절감할 수 있으며, 제작 단가를 낮출 수 있다는 장점을 가진다.
본 연구를 통해 PFC 및 LLC(공진) 컨트롤러로 정확한 정전류(CC) 출력회로를 갖는 LED SMPS를 개발하였으며, 개발된 LED SMPS는 회로 보호 기능과 고장 감지기능을 갖도록 설계하였다. 그리고 과전류 보호 기능과 역률 0.
설계한 LED 가로등 제어 보드의 주요 기능은 Wi-Fi나 RS-422/485로 연결된 PC와의 통신을 통해 LED 가로등의 전원 개폐, Dimming 제어 및 Dimming 제어의 자동/수정 설정 기능을 수행한다. 모든 기능은 LED 가로등 별로 개별제어가 가능하며, 연결된 다수의 LED 가로등의 통합제어도 가능하다.
현재 사용되고 있는 조명 시설, LED 그리고 지능형 절전 시스템의 문제점을 개선하고자, 본 논문에서는 내장된 LED Dimming System을 활용한 LED 조명 일체형 가로등 등기구를 개발하였다. 이것을 위해 정전류용 Dimming 기능 포함되어 있는 LED 드라이버 DW8501을 사용하여 수동, 자동 Dimming이 가능하도록 설계하였다.
그리고 원격 ON/OFF 회로에서 대기 전력을 230Vac에서 50mW 이하로 설계하여 에너지 효율성을 높였다. 전류 제한 회로는 파워 MOSFET의 전류를 감지하여 이 전류가 내부 기준값을 초과하면 파워 MOSFET가 남은 사이클 동안 OFF 상태가 된 후 잠시 동안 전류 제한 비교기를 동작시키지 않고, 파워 MOSFET 전도성의 조기 종료를 방지하도록 리딩 에지 블랭킹(LEB, Leading-edge blanking) 시간을 설정하여 과전류를 보호하도록 설계하였다. 그림 2의 회로를 기반으로 개발된 LED SMPS는 그림 3과 같다.

대상 데이터

LED 가로등의 Wi-Fi, RS-422/485를 이용한 유무선 제어 기능과 자동 Dimming등의 시스템 제어를 위해 LED 가로등 등기구 내부에 설치할 수 있는 LED 가로등 제어 보드를 개발하였다. 제어 보드에 사용된 MPU는 ARM사의 Cortex-M3 아키텍쳐를 사용한 32bit STM32 MPU를 사용하였다. STM32는 뛰어난 주변 I/O를 가지고 있으며, 저전력/저전압 성능과 주변 장치의 통합 기능이 매우 우수하다.

데이터처리

개발된 STM32 LED 가로등 제어 시스템의 프로그램을 위해 ARM Cortex-M3 개발 프로그램인 Ride7에 C 언어를 이용하여 프로그램 하였다. 그림 11, 12는 STM32 LED 가로등 제어 시스템의 개발 환경과 Ride7 개발 프로그램을 보여준다.
그림 15와 같은 실험 환경에서 각 거리마다 설치된 LED 가로등의 전원 On/Off, 조도 센서 작동, LED 자동/수동 디밍 동작 등을 기존 방법^[8]과 비교 실험하였으며, 실험 결과를 표 1에 나타내었다.

성능/효과

개발된 프로그램을 이용하여 실험한 결과 RS-422/485를 사용할 경우 9600bps 통신 속도를 사용할 경우 최대 1.2km 까지 거리에 있는 LED 가로등을 통합 제어할 수 있었으며, 2400bps 통신 속도를 사용할 경우에는 최대 5km 까지 거리에 있는 LED 가로등을 통합 제어할 수 있었다.
99%, 효율 95%로 개선하였다. 그리고 원격 ON/OFF 회로에서 대기 전력을 230Vac에서 50mW 이하로 설계하여 에너지 효율성을 높였다. 전류 제한 회로는 파워 MOSFET의 전류를 감지하여 이 전류가 내부 기준값을 초과하면 파워 MOSFET가 남은 사이클 동안 OFF 상태가 된 후 잠시 동안 전류 제한 비교기를 동작시키지 않고, 파워 MOSFET 전도성의 조기 종료를 방지하도록 리딩 에지 블랭킹(LEB, Leading-edge blanking) 시간을 설정하여 과전류를 보호하도록 설계하였다.
LED 등기구에는 10W급 LED Chip(LM80)을 사용하여 출력 전력 180W, 광효율 84, 연색성 83의 고효율로 효율을 20% 증대시킬 수 있도록 하였다. 본 연구에 사용된 LED Chip은 전력 소모가 적고, 눈부심이 없으며 빛의 광속이 일률적이다. 또한 측면으로 60도까지 광도가 커버된다.
RSSI와 LQ는 신호 세기를 표시하며, LQ가 255에 가깝고 RSSI가 0에 가까울 수록 수신 감도가 100에 가까울수록 연결이 원활하다는 것을 의미한다. 실험 결과와 같이 LOS가 확보된 환경에서 500m가 넘어갈 경우 연결이 불안정 하다는 것을 알 수 있다.
그림 15는 개발된 제어 장치와 유무선 통신 프로그램을 이용하여 실험한 환경을 나타낸다. 실험을 통해 개발된 제어 시스템과 프로그램이 설정된 거리 내에서 정확하게 동작함을 확인 할 수 있었으며, 무선 제어의 경우 별도의 리피터 장치를 이용하여 제어 거리를 확장시켰다.
또한 회로 단락을 막기 위한 auto-restart 회로를 보강하여 회로 보호 기능을 갖도록 하였으며, 오픈 회로에서의 고장 감지 모드 기능을 갖는 보호 회로를 설계하였다. 히스테리시스(Hysteresls)를 갖는 자동 Thermal-Shutdown Restart 기능이 있으며, 역률 0.99%, 효율 95%로 개선하였다. 그리고 원격 ON/OFF 회로에서 대기 전력을 230Vac에서 50mW 이하로 설계하여 에너지 효율성을 높였다.

후속연구

본 연구를 통해 PFC 및 LLC(공진) 컨트롤러로 정확한 정전류(CC) 출력회로를 갖는 LED SMPS를 개발하였으며, 개발된 LED SMPS는 회로 보호 기능과 고장 감지기능을 갖도록 설계하였다. 그리고 과전류 보호 기능과 역률 0.99%과 효율 95%로 개선하여 에너지 절약에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
본 기술개발을 통해 스마트 그리드 사업 및 통신과 융합하여 각각의 산업에 시너지 효과를 줄 수 있고, 시스템 에어컨, 홈 조명 네트워크, 빌딩 제어 시스템 등의 제어 모니터링에 적용하여 전력절감 솔루션 개발과 그 용용 제품 개발에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.
LED 제어 기술은 현재 RGB LED 모듈레이션 제어 기술과 LED 모듈간 네트워킹 기술이 있다. 앞으로 융합 기술에 의한 LED 제어 기술과 LED 조명 제어 기술이 새로운 연구 개발 분야가 될 것으로 내다보고 있다.^[2～4]

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SMPS란?	SMPS는 Switching Mode Power Supply의 약자로 외부에서 공급되는 교류(AC) 전류를 직류(DC) 전류로 전환(Switching)시킨 후, 각종 전자기기의 조건에 맞는 전압으로 변환시켜 공급하는 장치다.
	현재의 LED 조명 제어 기술들을 각 모듈 별로 개발하여 사용하고 있기 때문에 나타나는 문제점은?	현재 상기 기술들을 각 모듈 별로 개발하여 사용하고 있기 때문에 원가 절감이 어렵고, 효율성이 떨어지며 가격이 고가라는 문제점이 있다. 또한 전원 제어 회로, MCU를 이용한 제어, 유무선 통신 제어 기능을 각 모듈 별로 사용함에 따른 가격 경쟁력 하락 및 사용의 불편함이 존재한다.
	LED 조명 기술은 어떻게 구분할 수 있는가?	LED 조명 기술은 LED 고효율을 위한 칩 개발 공정 기술, LED 조명 제어 기술, LED 조명 기기 기술 등으로 구분할 수 있다. 이중 LED 제어 기술은 현재 활발히 연구되고 있는 분야이며, LED 조명 제어 기술 또한 지속적으로 연구되고 있는 분야이다[1].

참고문헌 (8)

D. S. Kim, S. H. Chai, "A Study on LED Light Dimming using Power Device", Journal of The Institute of Electronics and Information Engineers, Vol.51, No.7, pp.89-95, 2014.

원문보기 상세보기
B. M. Jung, "Design Issues for LED Lighting Applications", The Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol.20, No.1, pp.31-37, 2006.
C. H. Hong, "New Technology Trends and Application of High Power LED",The Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 18, No. 3, pp.3-10, 2004.
M. S. Kim, "Applications and market analysis of High-Brightness LED", Korea Information Society Development Institute, pp.70-72, 2003.2
J. Bullough, "Optimizing the Design and Use of LED for Visually Critical Application-Comparison of Traffic Signal Requirements", Lighting Research Center, 1998.
H. Y. Shin, "Design of LED Driving SMPS for Large Traffic Signal Lamp", The Journal of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, Vol.4, No.2, pp.123-129, 2009.6
H. M. Yoo, J. W. Choi and S. H. Choi, "Power Quality Measurement for LED-based Green Energy Lighting Systems", Journal of The Institute of Electronics and Information Engineers, Vol.50, No.2, pp.174-184, 2013.2

원문보기 상세보기
D. M. Joo, H. J. Yoon, K. I. Min and I. K. Lee, "Design of Wireless Controller for High Power LED Light in Plant Glower", The Journal of Korean Institute of Information Technology, Vol.12, No.1, pp. 93-102, 2014.

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저자의 다른 논문 :

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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