[논문]GPS 위성통신과 아두이노를 이용한 에너지 절약형 LED 가로등 제어 시스템 개발에 관한 연구

이완범

doi:10.5762/kais.2016.17.4.632

GPS 위성통신과 아두이노를 이용한 에너지 절약형 LED 가로등 제어 시스템 개발에 관한 연구
Study on the Development of LED streetlight control system using GPS satellite communication and Arduino 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.4, 2016년, pp.632 - 637

초록
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가로등 조명의 점멸시스템은 효율적인 관리와 에너지 절감을 위하여 IT 기술과 LED 조명을 결합한 형태로 발전되고 있다. 따라서 본 논문에서는 GPS 위성통신과 마이크로프로세서가 내장된 아두이노를 이용하여 LED 가로등기구의 사용전력을 제어할 수 있는 시스템을 제안하였다. 제안된 LED 가로등 조명 제어 회로는 GPS를 이용하기 위한 통신제어부와 트랜지스터, 저항 및 정전류 공급 회로를 이용하여 전류를 제어할 수 있는 부분으로 설계하였고 실험을 통하여 정상적으로 동작함을 확인하였다. 개발된 제어 시스템은 GPS를 이용하여 계절과 위치에 따른 정확한 시간을 추출하고, 추출된 시간에 따라 LED 가로등에 공급되는 전류를 단계적으로 제어하여 소비전력을 11% 이상 줄일 수 있도록 하였다. 따라서 교통량이 적은 시간과 지역에 가로등의 밝기를 그대로 유지하여 발생되는 비효율적인 에너지 관리를 개선하고, 에너지 절약을 위해 사용하는 가로등 격등방식과 편등방식에 따른 안전사고 발생을 방지할 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

A streetlight control system was developed using information technology and LED lights for efficient management and energy savings. The proposed system can control the power usage of an LED streetlight luminaire using GPS satellite communication and an Arduino with a built-in microprocessor. A control circuit was designed to control the current using GPS, a control unit, transistor, resistor, and constant-current supply circuit. The circuit was validated through experiments with normal operation. Using GPS, the control system extracts accurate time and location information according to the season, and it controls the current supplied to the LED streetlight according to the extracted time. Power consumption was reduced by more than 11%. The control system could reduce accidents caused by conventional lighting systems used to save energy, and it could improve the inefficient management of energy by preserving constant brightness of a streetlight at times and in areas that have less traffic.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

[3] 특히 많은 전력을 소비하는 가로등 조명을 LED 조명으로 대체하고 IT 기술을 접목한다면 에너지 절감 및 효율을 극대화 시킬수 있을 것이다.[4] 따라서 본 논문에서는 기존의 LED 가로등에 GPS 통신과 마이크로프로세서 기술을 이용하여 에너지를 절약할 수 있는 LED 가로등 조명 제어 시스템을 제안 하였다.
따라서 본 논문에서는 Fig. 6와 같이 LED 가로등의 밝기를 조절할 수 있는 LED 전류제어 시스템을 설계하였다.
따라서 본 논문에서는 Table 1과 같이 제공되는 위치정보와 시간정보를 이용하여 지역과 시간에 따라 LED 가로등의 점등을 제어할 수 있는 시스템을 제안하였다.
따라서 본 논문에서는 이러한 아두이노를 이용하여 에너지를 절약할 수 있는 LED 가로등 시스템을 제어 관리할 수 있도록 하였다. 즉 GPS 수시모듈을 제어하고 수신된 데이터 정보를 분석하여 LED 가로등 밝기 제어에 필요한 시간정보를 추출하였다.

제안 방법

제안된 시스템은 시간에 따른 LED 가로등의 공급 전류를 가변적으로 조절할 수 있도록 SMPS의 출력 부분을 트랜지스터와 저항을 이용하여 설계 구현하였다. LED 가로등 밝기 제어에 필요한 정확한 시간 정보를 얻기위해 NMEA 0183 프로토콜을 사용하는 GPS 수신기를 사용하였다. 그리고 아두이노를 이용하여 NMEA Sentence를 분석하고 SMPS와 트랜지스터, 저항으로 구성된 전류공급부분을 관리하고 제어할 수 있도록 하였으며, 3단계로 전류를 공급할 수 있도록 하였다.
LED 가로등 제어에 필요한 시간 및 위치 정보를 얻기 위하여 GPS 모듈로 수신된 정보 중 $GPGGA 정보만을 추출하고 위치와 시간정보를 획득할 수 있도록 프로그램을 설계하였고 추출된 시각정보를 이용하여 LED 가로등에 공급되는 전류를 시간에 따라 조정할 수 있도록 구동회로와 전류 공급 회로를 제어 하였다. 이러한 제어 시스템을 이용하여 시간에 따라 단계적으로 LED 가로등 밝기를 조정하여 11%의 전기 에너지를 절약할 수있음을 실험을 통하여 확인하였다.
교통사고가 많이 발생하는 일몰 직 후와 일출 직전 시간, 교통량이 많은 지역 및 출퇴근 시간 에 가로등을 가장 밝게 유지하고 교통량이 적은 지역 및 심야시간에는 가로등 밝기를 30% 감량함으로서 전력소비를 줄일 수 있도록 시스템을 설계 하였다. 제안된 시스템의 단계별 전류 공급 및 전력 소비량을 Fig.
LED 가로등 밝기 제어에 필요한 정확한 시간 정보를 얻기위해 NMEA 0183 프로토콜을 사용하는 GPS 수신기를 사용하였다. 그리고 아두이노를 이용하여 NMEA Sentence를 분석하고 SMPS와 트랜지스터, 저항으로 구성된 전류공급부분을 관리하고 제어할 수 있도록 하였으며, 3단계로 전류를 공급할 수 있도록 하였다. 테스트 보드를 Fig.
즉 GPS 수시모듈을 제어하고 수신된 데이터 정보를 분석하여 LED 가로등 밝기 제어에 필요한 시간정보를 추출하였다. 그리고 추출된 시각정보를 이용하여 LED 가로등에 공급되는 전류를 시간에 따라 조정할 수 있도록 구동회로와 전류 공급 회로를 제어 하였다. 이러한 제어 시스템을 이용하여 교통량이 적은 심야시간에 LED 가로등 밝기를 조정하여 전기 에너지를 절약할 수 있도록 하였다.
LED 가로등 조명의 제어시스템은 효율적인 관리와 에너지 절감을 위하여 IT 기술과 LED 조명을 결합한 형태로 발전되고 있다. 따라서 본 논문에서는 GPS 수신기를 이용하여 가로등 위치 정보 및 계절별 정확한 시간정보를 추출하고 추출 된 정보로 LED 가로등을 디밍제어 하는 시스템을 아두이노를 이용하여 구현하였고 동작을 검증하였다.
또한 에너지 절약을 위하여 가로등 격등제 및 편측 점등 실시로 음영 부분이 증가하고 이로 인한 교통사고와 안전사고 발생이 증가고 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 문제점들을 개선하기 위해 GPS 수신기를 이용하여 계절별 정확한 시간정보를 추출하고 추출 된 정보로 LED 가로등을 디밍제어하는 시스템을 아두이노를 이용하여 구현하였고 동작을 검증하였다.
NMEA Sentence는 수신기의 종류 및 현재 기능에 따라 조금씩 다르게 출력 된다. 본 논문에서는 LED 가로등 제어에 필요한 시간 및 위치 정보를 얻기 위하여 NMEA Sentence 중 $GPGGA를 이용하였다. 따라서 수신된 정보 중 $GPGGA 정보만을 추출하고 시간정보를 분석할 수 있도록 프로그램을 설계하였고 Fig.
본 연구를 통하여 구현된 LED 전류제어 시스템을 등 기구에 장착하여 테스트를 수행 하였다. 먼저 테스트를 수행하기 위하여 Fig.
그리고 추출된 시각정보를 이용하여 LED 가로등에 공급되는 전류를 시간에 따라 조정할 수 있도록 구동회로와 전류 공급 회로를 제어 하였다. 이러한 제어 시스템을 이용하여 교통량이 적은 심야시간에 LED 가로등 밝기를 조정하여 전기 에너지를 절약할 수 있도록 하였다.
제안된 시스템은 시간에 따른 LED 가로등의 공급 전류를 가변적으로 조절할 수 있도록 SMPS의 출력 부분을 트랜지스터와 저항을 이용하여 설계 구현하였다. LED 가로등 밝기 제어에 필요한 정확한 시간 정보를 얻기위해 NMEA 0183 프로토콜을 사용하는 GPS 수신기를 사용하였다.
따라서 본 논문에서는 이러한 아두이노를 이용하여 에너지를 절약할 수 있는 LED 가로등 시스템을 제어 관리할 수 있도록 하였다. 즉 GPS 수시모듈을 제어하고 수신된 데이터 정보를 분석하여 LED 가로등 밝기 제어에 필요한 시간정보를 추출하였다. 그리고 추출된 시각정보를 이용하여 LED 가로등에 공급되는 전류를 시간에 따라 조정할 수 있도록 구동회로와 전류 공급 회로를 제어 하였다.

성능/효과

LED 가로등이 10(19시∼5시) 시간 기준으로 상시 점등되어 있을 때하고 단계별 점등했을 때의 소비전력을 다음 Table 3과 같이 비교 분석하였다. 결과적으로 상시 점등되어 있을 때 보다 약 11%의 전력 소비를 줄일 수 있음을 확인하였다.
이러한 제어 시스템을 이용하여 시간에 따라 단계적으로 LED 가로등 밝기를 조정하여 11%의 전기 에너지를 절약할 수있음을 실험을 통하여 확인하였다. 그리고 제안된 시스템은 전류 공급 회로를 변경하여 단계별 공급 전류 조절이 가능하므로 지역과 시간에 따라 소비전력을 30% 이상 줄일 수 있을 것으로 사료된다.
본 논문에서는 LED 가로등 제어에 필요한 시간 및 위치 정보를 얻기 위하여 NMEA Sentence 중 $GPGGA를 이용하였다. 따라서 수신된 정보 중 $GPGGA 정보만을 추출하고 시간정보를 분석할 수 있도록 프로그램을 설계하였고 Fig. 5와 같이 정확히 추출됨을 확인하였다.
실험을 통하여 측정된 전류 및 소비전력의 변화 값은 Table 2와 같이 점등초기와 교통량이 빈번한 시간에 4.028A의 전류가 흘러 96.2W 전력을 소비함을 확인할 수 있었고, 교통량이 거의 없는 시간에는 3.094A로 72W 의 대기전력을 소비함을 확인하였다.
LED 가로등 제어에 필요한 시간 및 위치 정보를 얻기 위하여 GPS 모듈로 수신된 정보 중 $GPGGA 정보만을 추출하고 위치와 시간정보를 획득할 수 있도록 프로그램을 설계하였고 추출된 시각정보를 이용하여 LED 가로등에 공급되는 전류를 시간에 따라 조정할 수 있도록 구동회로와 전류 공급 회로를 제어 하였다. 이러한 제어 시스템을 이용하여 시간에 따라 단계적으로 LED 가로등 밝기를 조정하여 11%의 전기 에너지를 절약할 수있음을 실험을 통하여 확인하였다. 그리고 제안된 시스템은 전류 공급 회로를 변경하여 단계별 공급 전류 조절이 가능하므로 지역과 시간에 따라 소비전력을 30% 이상 줄일 수 있을 것으로 사료된다.
교통사고가 많이 발생하는 일몰 직 후와 일출 직전 시간, 교통량이 많은 지역 및 출퇴근 시간 에 가로등을 가장 밝게 유지하고 교통량이 적은 지역 및 심야시간에는 가로등 밝기를 30% 감량함으로서 전력소비를 줄일 수 있도록 시스템을 설계 하였다. 제안된 시스템의 단계별 전류 공급 및 전력 소비량을 Fig. 9과 같이 100W LED 가로등기구를 기준으로 측정하고 가변됨을 확인하였다.

후속연구

지식경제부의 발표에 의하면 세계 조명 효율을 25% 향상시킬 경우 연간 2,500억 KWh의 전력이 감소되고 1억 5,000톤의 이산화탄소(CO₂)가 저감되는 것으로 나타나 환경과 조명 효율 향상을 위해 LED 조명 기술개발이 더욱 활발히 전개될 것으로 전망된다.[3] 특히 많은 전력을 소비하는 가로등 조명을 LED 조명으로 대체하고 IT 기술을 접목한다면 에너지 절감 및 효율을 극대화 시킬수 있을 것이다.[4] 따라서 본 논문에서는 기존의 LED 가로등에 GPS 통신과 마이크로프로세서 기술을 이용하여 에너지를 절약할 수 있는 LED 가로등 조명 제어 시스템을 제안 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아두이노의 장점은 무엇인가?	자바를 기반으로 개발환경이 구축되어 있고 Windows, Mac OS X, Linux에서 Arduino Software(IDE)를 통해 쉽게 코드를 개발하고 보드에 적용할 수 있다. 아두이노의 장점은 저렴한 비용, 오픈 소스 기반, 확장 가능한 S/W와 H/W 기능을 가지고 있으며, Windows를 비롯한 다양한 OS를 지원하는 크로스-플랫폼 개발환경을 지원한다는 것이다. 특히, 컴파일된 펌웨어를 USB를 통해 업로드할 수 있는 편리성으로 마이크로컨트롤러를 손쉽게 동작시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점 때문에 IoT, 3D 프린팅, 임베디드 시스템 등 다양한곳에서 개발시스템으로 응용되고 있다.
	스마트 LED 조명 제어 시스템의 장점은 무엇인가?	스마트 LED 조명 제어 시스템은 Fig. 1과 같이 IT 기술, 즉 센서 및 통신기술과 LED 조명을 조합한 형태로 기존 광원에 비해 고효율 및 저전력화를 이룰 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 구조 및 배광 표현, 감성조명, 광색 가변, 연색성 향상 등의 장점들 가지고 있다. 또한 사용자 요구 환경에 부합되는 콘텐츠가 내장된 다기능 솔루션을 갖추어 산업간, 기술 융합 시스템으로 발전해 나가고 있다.
	LED가로등이 점등되어 있는 시간은 어떻게 설정 되어 있고 어떤 문제점이 있는가?	현재 LED가로등이 점등되어 있는 시간은 지역과 계절에 따라 다를 수 있다. 보통 낮 시간이 긴 여름철에는 오후 19시부터 다음날 오전 5시까지 총 9시간동안 점등 되고, 겨울철에는 오후 18시부터 다음날 오전 7시까지 총 13시간동안 시간 및 교통량에 상관없이 항상 일정한 밝기로 점등되어 있어 많은 양의 전력을 소비하고 있다.

참고문헌 (9)

S. B. Song, "The Trend and Prospect of Components Technologies for LED lighting", The Proceedings of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 29, No.2, pp. 22-34, Mar. 2015.
W. B. Lee, "Study on the Development of Large Capacity LED Streetlight Luminaire with adjustable Light Distribution Characteristic", Journal of KAIS. Vol. 16, No. 12, pp. 8901-8907, Dec, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/kais.2015.16.12.8901

원문보기 상세보기
The Ministry of Knowledge Economy, "The Second leap Strategies of LED Indurstry", 2011.
H. S. Jeong, M. K. Hwang, "LED System lighting Technology using wired and Wireless", Journal of KIIEE. Vol. 26, No. 1, pp. 33-40, Jan. 2012.
Y. Hu and M. M. Jovanovic, "LED driver with self-adaptive drive voltage", IEEE Trans. on Power Electron., Vol. 23, pp. 3116, 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TPEL.2008.2004558

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Https://www.arduino.cc/
https://ko.wikipedia.org/wiki/Arduino
NMEA-0183(IEC61162-1), Standard for interfacing marine electronic devices, Ver 3.01, 2002.
S.H. Hong, S.R. Yang, S.R. Lee, "The Efficient Multimedia Data Transmission Using NMEA-0183", Journal of Advanced Navigation Tachnology, Vol.18, No. 2, pp. 121-127, Apr. 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.12673/jant.2014.18.2.121

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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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