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문제 정의
- 본 논문에서는 문제점 해결을 위하여 생체신호를 이용한 안드로이드 플랫폼 기반의 스마트 실내 감성조명제어 시스템을 제안한다. 제안하는 스마트 실내 감성조명제어 시스템은 효율적 관리를 위해 블루투스(bluetooth) 모듈을 사용하여 생체신호를 측정하고, 사무실에서 사용하는 조명을 대상으로 업무행위에 따른 감성의 비교분석 및 적용을 통해 색 온도별 감성어휘를 도출하여 안드로이드 앱을 통해 시간 및 장소의 제약 없이 조명제어가 가능하도록 설계한다.
- 본 논문에서는 실내 공간의 업무효율을 높이기 위해 생체신호를 이용한 안드로이드 플랫폼 기반의 스마트 실내 감성조명 제어 시스템을 제안하였다.
제안 방법
- LED 조명은 TOBIAS GRAU의 XT-A DIRECT(소비전력 45W)를 사용하여 사무실, 회의실 및 작업실의 디밍 제어가 가능한 천장 조명기구로 적용하였고, EATON의 DL11-WS-NWW(소비 전력 15W)를 사용하여 사무실, 회의실, 휴게실, 복도의 다운라이트로 적용하였다.
- 본 논문에서 제안하는 생체신호를 이용한 안드로이드 플랫폼 기반의 스마트 실내 감성조명 제어 시스템은 뇌전도 측정을 통해 실내 조명을 대상으로 업무행위에 따른 감성 비교분석 및 적용을 하고, 색 온도별 감성어휘를 도출을 통해 안드로이드 앱을 이용하여 시간 및 장소의 제약 없이 조명제어가 가능하도록 설계하였다. 감성어휘에 따른 감성조명 제어 시스템의 효율성 검증을 위해 리룩스를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
- 고속 푸리에 변환에서는 상관함수를 추정하지 않고, 관측 데이터의 푸리에 변환으로부터 직접 파워스펙트럼이 추정하였다. 측정 데이터 중에서 단지 데이터의 Χ0, Χ1, …, ΧN-1만을 이용하여 파워스펙트럼을 추정하기 위해 식(2)을 사용하였다.
- 제안된 스마트 실내 감성조명 제어 시스템은 생체신호 측정기기와 이동식 스마트 월 패드, 조명 드라이버, RGBW LED 조명기기로 구성하였다. 그리고 뇌파측정 결과를 사용하여 자동제어 되거나 원하는 조명을 선택적하여 수동제어가 가능하도록 설계하였다. 제안된 점등제어 시스템의 검증결과, 뇌파측정을 통해 감성어휘 추출 결과를 적용한 점등제어 및 사용자가 필요로 하는 공간의 조명기기에 대하여 감성조명 제어와 색온도 가변에 의한 제어가 가능하였고, 효율적으로 전력 소비를 감소시켰다.
- 조명제어 프로그램은 생체신호를 이용한 점등과 수동 점등방법을 선택할 수 있고, 생체신호를 선택하였을 경우, 측정된 뇌파 밴드 값을 이용하여 추출된 감성언어의 RGBW 값으로 점등제어 되도록 구현하였다. 그리고 수동제어를 선택하였을 경우, 선택한 감성언어의 RGBW 값에 의해 조명이 전체 점등제어 되거나 원하는 위치만 선택하여 점등제어 되도록 구현하였고, 사용자 요구에 의해 점등 위치를 선택하면 RGBW 탐색바 제어와 수치데이터 입력을 통해 직접 행위변화에 대한 다양한 색상으로 점등제어를 할 수 있도록 구현하였다.또한, 점등제어시 감성조명의 RGBW 색온도 레벨을 디스플레이하게 구현하였다.
- 제안하는 스마트 실내 감성조명제어 시스템은 효율적 관리를 위해 블루투스(bluetooth) 모듈을 사용하여 생체신호를 측정하고, 사무실에서 사용하는 조명을 대상으로 업무행위에 따른 감성의 비교분석 및 적용을 통해 색 온도별 감성어휘를 도출하여 안드로이드 앱을 통해 시간 및 장소의 제약 없이 조명제어가 가능하도록 설계한다. 그리고 업무 효율성을 향상시킬 수 있는 사무실 환경을 고려한 조명 제어를 통해 에너지 절약을 위한 시스템을 설계한다.
- 색도좌표에 의한 색온도의 표현 범위와 적용한 색도도는 차이가 없었다. 기존 시스템은 LED 회로를 2개 또는 4개를 사용하였지만 제안된 시스템은 2의 회로를 사용하여 LED 조명을 제어하였다. 그리고 그림 7에서 나타낸 감성어휘를 기준으로 가변점등을 하였기 때문에 조명 기기당 전력소비를 최대 9.
- 그리고 수동제어를 선택하였을 경우, 선택한 감성언어의 RGBW 값에 의해 조명이 전체 점등제어 되거나 원하는 위치만 선택하여 점등제어 되도록 구현하였고, 사용자 요구에 의해 점등 위치를 선택하면 RGBW 탐색바 제어와 수치데이터 입력을 통해 직접 행위변화에 대한 다양한 색상으로 점등제어를 할 수 있도록 구현하였다.또한, 점등제어시 감성조명의 RGBW 색온도 레벨을 디스플레이하게 구현하였다.
- 조명은 점·소등 시 생체신호를 사용하거나 감성어휘 선택 또는 RGBW 탐색바를 통해 값 조절, 색상 값을 직접 입력하여 제어하고, 전체 또는 선택 위치의 조명기기를 제어하도록 설계하였다. 또한, 제어 알고리즘에 의해 조명제어와 생체신호 및 감성어휘를 이용한 다양한 변환을 통해 업무환경에 적합한 색상과 밝기를 효율적으로 제어하도록 설계하였다. 조명 드라이버는 이동식 스마트 월 패드와 연결을 위해 블루투스 모듈을 사용하였고, 조명제어를 위해 확장보드를 추가하여 RGBW 조명기기와 연결되도록 설계하였다.
- 사무실 공간은 너비 20m, 길이 20m, 회의실은 너비 203m, 길이 10m, 휴게실은 너비 10m, 길이 10m, 작업실은 너비 7m, 길이 17m, 복도는 3m 폭으로 너비와 길이를 구성하였다. 반사율은 천정 70%, 벽 50%, 바닥 20%로 하였다. LED 조명은 TOBIAS GRAU의 XT-A DIRECT(소비전력 45W)를 사용하여 사무실, 회의실 및 작업실의 디밍 제어가 가능한 천장 조명기구로 적용하였고, EATON의 DL11-WS-NWW(소비 전력 15W)를 사용하여 사무실, 회의실, 휴게실, 복도의 다운라이트로 적용하였다.
- 표 1은 측정된 뇌파의 밴드별 상태를 나타낸다. 밴드별 상태는 실내 감성조명 제어 알고리즘에 적용하고, 색상과 감성언어의 이미지 매칭 결과를 통해 감성언어 추출을 위해 사용하였다.
- 본 논문에서 제안하는 생체신호를 이용한 안드로이드 플랫폼 기반의 스마트 실내 감성조명 제어 시스템은 뇌전도 측정을 통해 실내 조명을 대상으로 업무행위에 따른 감성 비교분석 및 적용을 하고, 색 온도별 감성어휘를 도출을 통해 안드로이드 앱을 이용하여 시간 및 장소의 제약 없이 조명제어가 가능하도록 설계하였다. 감성어휘에 따른 감성조명 제어 시스템의 효율성 검증을 위해 리룩스를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
- 본 논문에서 제안하는 스마트 실내 감성조명 제어 시스템은 생체신호를 측정하여 감성어휘를 추출하고, 안드로이드 플랫폼 기반 앱의 쉽고 간편한 조작으로 조명 전체 및 일부분을 제어하는 시스템이다. 그리고, 이동식 스마트 월 패드(Removable Smart Wall Pad)는 블루투스 모듈을 통해 시스템과 연결이 되면 제어 메시지를 송수신한다.
- 이때, 생체신호를 이용하여 제어하거나 사용자 요구에 따라 제어하도록 설계하였다. 사용자 요구에 의한 제어는 감성어휘를 직접 선택하여 조명을 제어하는 방법과 탐색 바를 이용한 제어방법, RGBW 값을 직접 입력하여 제어하는 방법을 이용하였다.
- 두피의 전극에서 발생하는 주파수 대역별 파워를 절대 파워(absolute power), 전체 주파수 대역의 절대 파워를 기준으로 각 주파수 대역의 절대 파워를 비율로 산출한 값을 상대 파워(relative power)라고 한다. 상대 파워스펙트럼은 인지기능 및 뇌파의 연관성을 잘 나타내기 때문에 절대 파워 스펙트럼 분석에 비교하여 두개골의 두께 차이, 측정 시 두피의 전기적 상태, 긴장도와 같은 측정 변인을 감소할 수 있고, 수식 (3)을 이용하여 분석하였다.
- 그림 1에서는 본 논문에서 제안된 안드로이드 플랫폼 기반의 스마트 실내 감성조명 제어 시스템 구성을 나타낸다. 스마트 실내 감성조명 제어 시스템은 생체신호 측정기기(Biological signal Measurement Unit)와 이동식 스마트 월 패드, 조명 드라이버, 조명기기로 구성하였다. 제어 시스템은 생체신호(뇌파)를 측정하여 감정어휘를 추출하고, 월 패드에서 블루투스를 이용하여 각 조명 드라이버에 제어신호를 조명 드라이버에 전송하며, 조명 드라이버는 제어신호와 주변의 조도정보를 수집하여 확장보드를 통해 조명기기를 제어한다.
- 본 논문에서는 고속 푸리에 변환을 이용하여 식 (1)을 통해 정의하였다. 시간영역의 뇌파신호를 주파수영역으로 변환하고, 주파수 크기에 따라 신호가 그래프에 배열되어 신호의 주파수 성분들을 분석하였다.
- 그림 8은 감성 조명제어 및 모니터링을 위해 구현된 실내 감성조명 제어 프로그램의 프로토타입을 나타낸다. 안드로이드 플랫폼 기반의 제어 프로그램은 사무실 평면도를 이용한 화면구성을 통해 편리하게 조명제어를 가능하도록 사용자 인터페이스를 설계하였다. 조명제어 프로그램은 생체신호를 이용한 점등과 수동 점등방법을 선택할 수 있고, 생체신호를 선택하였을 경우, 측정된 뇌파 밴드 값을 이용하여 추출된 감성언어의 RGBW 값으로 점등제어 되도록 구현하였다.
- 측정된 뇌파는 월 패드의 조명제어 알고리즘에서 사무실 업무환경에 적합한 감성어휘로 변환하도록 구성하였다. 월 패드는 실내 감성조명 제어를 위한 컨트롤러로서 블루투스 모듈과 감성조명 제어 알고리즘으로 구성하였다. 조명은 점·소등 시 생체신호를 사용하거나 감성어휘 선택 또는 RGBW 탐색바를 통해 값 조절, 색상 값을 직접 입력하여 제어하고, 전체 또는 선택 위치의 조명기기를 제어하도록 설계하였다.
- 그리고, 이동식 스마트 월 패드(Removable Smart Wall Pad)는 블루투스 모듈을 통해 시스템과 연결이 되면 제어 메시지를 송수신한다. 이때, 생체신호를 이용하여 제어하거나 사용자 요구에 따라 제어하도록 설계하였다. 사용자 요구에 의한 제어는 감성어휘를 직접 선택하여 조명을 제어하는 방법과 탐색 바를 이용한 제어방법, RGBW 값을 직접 입력하여 제어하는 방법을 이용하였다.
- 조명의 밝기와 색온도가 뇌파 및 심리상태에 미치는 영향을 기반으로 더욱 효율적인 업무를 할 수 있도록 적합한 색온도를 정의하였다. 정의된 값을 LED 조명에 적용하기 위해 색온도 값을 RGB 값으로 변환하고, 색온도 정보로부터 CIE 1931 xy 색도 좌표계를 통해 적합하게 변환된 RGBW 값을 계산하였다.[14]
- 제안된 스마트 실내 감성조명 제어 시스템은 생체신호 측정기기와 이동식 스마트 월 패드, 조명 드라이버, RGBW LED 조명기기로 구성하였다. 그리고 뇌파측정 결과를 사용하여 자동제어 되거나 원하는 조명을 선택적하여 수동제어가 가능하도록 설계하였다.
- 본 논문에서는 문제점 해결을 위하여 생체신호를 이용한 안드로이드 플랫폼 기반의 스마트 실내 감성조명제어 시스템을 제안한다. 제안하는 스마트 실내 감성조명제어 시스템은 효율적 관리를 위해 블루투스(bluetooth) 모듈을 사용하여 생체신호를 측정하고, 사무실에서 사용하는 조명을 대상으로 업무행위에 따른 감성의 비교분석 및 적용을 통해 색 온도별 감성어휘를 도출하여 안드로이드 앱을 통해 시간 및 장소의 제약 없이 조명제어가 가능하도록 설계한다. 그리고 업무 효율성을 향상시킬 수 있는 사무실 환경을 고려한 조명 제어를 통해 에너지 절약을 위한 시스템을 설계한다.
- 스마트 실내 감성조명 제어 시스템은 생체신호 측정기기(Biological signal Measurement Unit)와 이동식 스마트 월 패드, 조명 드라이버, 조명기기로 구성하였다. 제어 시스템은 생체신호(뇌파)를 측정하여 감정어휘를 추출하고, 월 패드에서 블루투스를 이용하여 각 조명 드라이버에 제어신호를 조명 드라이버에 전송하며, 조명 드라이버는 제어신호와 주변의 조도정보를 수집하여 확장보드를 통해 조명기기를 제어한다. 생체신호 측정기기는 본 논문에서 뇌파측정으로 한정한다.
- 또한, 제어 알고리즘에 의해 조명제어와 생체신호 및 감성어휘를 이용한 다양한 변환을 통해 업무환경에 적합한 색상과 밝기를 효율적으로 제어하도록 설계하였다. 조명 드라이버는 이동식 스마트 월 패드와 연결을 위해 블루투스 모듈을 사용하였고, 조명제어를 위해 확장보드를 추가하여 RGBW 조명기기와 연결되도록 설계하였다. 조명기기는 감성언어에 따른 조도 제어를 위해 RGBW LED 모듈로 구성하였다.
- 조명 드라이버는 이동식 스마트 월 패드와 연결을 위해 블루투스 모듈을 사용하였고, 조명제어를 위해 확장보드를 추가하여 RGBW 조명기기와 연결되도록 설계하였다. 조명기기는 감성언어에 따른 조도 제어를 위해 RGBW LED 모듈로 구성하였다.
- 조명은 점·소등 시 생체신호를 사용하거나 감성어휘 선택 또는 RGBW 탐색바를 통해 값 조절, 색상 값을 직접 입력하여 제어하고, 전체 또는 선택 위치의 조명기기를 제어하도록 설계하였다.
- 안드로이드 플랫폼 기반의 제어 프로그램은 사무실 평면도를 이용한 화면구성을 통해 편리하게 조명제어를 가능하도록 사용자 인터페이스를 설계하였다. 조명제어 프로그램은 생체신호를 이용한 점등과 수동 점등방법을 선택할 수 있고, 생체신호를 선택하였을 경우, 측정된 뇌파 밴드 값을 이용하여 추출된 감성언어의 RGBW 값으로 점등제어 되도록 구현하였다. 그리고 수동제어를 선택하였을 경우, 선택한 감성언어의 RGBW 값에 의해 조명이 전체 점등제어 되거나 원하는 위치만 선택하여 점등제어 되도록 구현하였고, 사용자 요구에 의해 점등 위치를 선택하면 RGBW 탐색바 제어와 수치데이터 입력을 통해 직접 행위변화에 대한 다양한 색상으로 점등제어를 할 수 있도록 구현하였다.
- 측정된 뇌파는 1-50Hz의 주파수와 약 10-200uV의 진폭을 가진다. 주파수와 전압의 차이에 의해 정상 수면상태의 델타파(0.2-4Hz, 20- 200uV), 창의적 상태 및 초학습능력상태, 긴장 이완상태, 정서적 안정상태의 세타파(4-8Hz, 20- 100uV), 긴장 이완 및 명상상태의 알파파(8-13Hz, 20- 60uV), 깨어있거나 말할 때 모든 의식적 상태의 베타파(13-30Hz, 2-20uV), 흥분상태의 감마파(30-50Hz, 2-20uV) 등으로 구분하였다.
- 생체신호 측정기기는 본 논문에서 뇌파측정으로 한정한다. 측정된 뇌파는 월 패드의 조명제어 알고리즘에서 사무실 업무환경에 적합한 감성어휘로 변환하도록 구성하였다. 월 패드는 실내 감성조명 제어를 위한 컨트롤러로서 블루투스 모듈과 감성조명 제어 알고리즘으로 구성하였다.
대상 데이터
- 감성공학 분야의 연구자료 및 자유 연상 등을 통해 1차 감성언어를 수집하였고, 조명 관련된 언어를 중심으로 2차 감성언어 56개를 선택하여 최종 감성언어를 선별하였다.
- 75m로 구성하였다. 사무실 공간은 너비 20m, 길이 20m, 회의실은 너비 203m, 길이 10m, 휴게실은 너비 10m, 길이 10m, 작업실은 너비 7m, 길이 17m, 복도는 3m 폭으로 너비와 길이를 구성하였다. 반사율은 천정 70%, 벽 50%, 바닥 20%로 하였다.
- 그림 9는 리눅스를 이용한 실험 환경의 전체 공간에 대한 조도 분포 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 전체 공간은 너비 30m, 길이 30m, 높이 2.8m, 작업면의 높이 0.75m로 구성하였다. 사무실 공간은 너비 20m, 길이 20m, 회의실은 너비 203m, 길이 10m, 휴게실은 너비 10m, 길이 10m, 작업실은 너비 7m, 길이 17m, 복도는 3m 폭으로 너비와 길이를 구성하였다.
- 그림 4는 색체 분석 도구를 이용하여 형용사 이미지 스케일과 단색 이미지 스케일의 이미지 매칭 결과를 나타낸다. 총 120색은 110개의 유채색과 10개의 무채색으로, 110개의 유채색은 10개의 색상과 11개의 색조로 구성하였다.
이론/모형
- 그림 3은 뇌파의 측정을 위한 전극 부착 위치와 필터링을 통해 인공결함을 제거한 매핑정보의 뇌지도 영상을 나타낸다. 국제 전극 배치법인 International 10-20 System에 의해 머리 표면에 단극자 방식으로 측정하였고, International 10-20 방법에 의해 측정위치를 Fp1(좌뇌 전전두엽), Fp2(우뇌 전전두엽), F3(좌뇌 전두엽), F4(우뇌 전두엽) 총 4개의 위치에 측정 전극을 부착하였다. 측정위치는 기본적인 인체의 반응과 스트레스를 살펴 볼 수 있는 영역으로 판단되어 선택하였고, 뇌파 분석방법은 파워스펙트럼 분석방법을 이용하였다.
- 그림 2에서는 실내 감성조명 제어 시스템의 제어 알고리즘을 나타낸다. 본 논문에서는 생체신호 중 뇌전도(EEG, electro encephalo graphy)를 이용한 점등제어 방법을 사용하였다. 실내 감성조명 제어 알고리즘은 스케줄에 의해 시스템 동작을 시작한다.
- 측정위치는 기본적인 인체의 반응과 스트레스를 살펴 볼 수 있는 영역으로 판단되어 선택하였고, 뇌파 분석방법은 파워스펙트럼 분석방법을 이용하였다.
성능/효과
- KS 권장 평균조도[15]를 기준으로 사무실의 광속은 400 lm, 회의실은 200 lm, 휴게실은 100 lm, 작업실은 200 lm으로 설정하였다. 공간별 조명의 사용 개수는 최소 6개에서 최대 39개로 나타났으며, 소비전력은 240W에서 1,635W까지 측정되었다. 본 논문에서 제안한 알고리즘의 적용 전에는 공간에 대한 조도가 최소 120 lx에서 최대 401 lx까지 측정되었고, 적용 후에는 최소 122 lx에서 322 lx까지 측정되었다.
- 기존 시스템은 LED 회로를 2개 또는 4개를 사용하였지만 제안된 시스템은 2의 회로를 사용하여 LED 조명을 제어하였다. 그리고 그림 7에서 나타낸 감성어휘를 기준으로 가변점등을 하였기 때문에 조명 기기당 전력소비를 최대 9.45% 감소시켰고, 전격전류는 최대 56.25%를 절감할 수 있었다. 그리고 디머전압은 최대 66.
- 제안된 점등제어 시스템의 검증결과, 뇌파측정을 통해 감성어휘 추출 결과를 적용한 점등제어 및 사용자가 필요로 하는 공간의 조명기기에 대하여 감성조명 제어와 색온도 가변에 의한 제어가 가능하였고, 효율적으로 전력 소비를 감소시켰다. 또한 상황에 적합한 색상과 밝기를 제어하여 사무실 업무행위에 대한 집중력과 업무능력 향상에 효과적인 결과를 얻었다.
- 공간별 조명의 사용 개수는 최소 6개에서 최대 39개로 나타났으며, 소비전력은 240W에서 1,635W까지 측정되었다. 본 논문에서 제안한 알고리즘의 적용 전에는 공간에 대한 조도가 최소 120 lx에서 최대 401 lx까지 측정되었고, 적용 후에는 최소 122 lx에서 322 lx까지 측정되었다.
- 그리고 뇌파측정 결과를 사용하여 자동제어 되거나 원하는 조명을 선택적하여 수동제어가 가능하도록 설계하였다. 제안된 점등제어 시스템의 검증결과, 뇌파측정을 통해 감성어휘 추출 결과를 적용한 점등제어 및 사용자가 필요로 하는 공간의 조명기기에 대하여 감성조명 제어와 색온도 가변에 의한 제어가 가능하였고, 효율적으로 전력 소비를 감소시켰다. 또한 상황에 적합한 색상과 밝기를 제어하여 사무실 업무행위에 대한 집중력과 업무능력 향상에 효과적인 결과를 얻었다.
후속연구
- 향후, 스마트 감성조명은 인테리어의 질적인 차별화를 선도하며 감성 공학적 디자인 실현을 주도할 뿐 아니라 감성자극과 연계된 새로운 비즈니스의 실현화 가능성도 기대한다. 또한, 사무공간에서 다수의 행위에 따라 다양한 스트레스가 유발되기 때문에 공간과 사용자의 업무행위에 따라 감성을 고려한 조명 설계가 이루어져야 한다.
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