[논문]K10026 기반 스마트 플러그 시스템 개발 및 성능 분석

정한수; 이형봉; 정태윤

doi:10.14372/iemek.2016.11.5.287

K10026 기반 스마트 플러그 시스템 개발 및 성능 분석
Development and Performance Analysis of an Effective Smart Plug System based on K10026 Regulation 원문보기

대한임베디드공학회논문지 = IEMEK Journal of embedded systems and applications, v.11 no.5, 2016년, pp.287 - 298

정한수 (Gangneung-Wonju National University) , 이형봉 (Gangneung-Wonju National University) , 정태윤 (Gangneung-Wonju National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes an effective smart plug system capable of monitoring power, cutting off standby power and overload current. The key design concept is focused on measurement accuracy, self power consumption and controlling via smart phone application. The system is composed of several plugs and a hub, and adopts a star-topology-styled TDMA wireless protocol for communication between plug and hub. The test result shows that the implemented smart plug system meets K10026 regulation and is worth in electrical safety, energy saving, easy living.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 표 1의 설계 요건을 중심으로 무선통신 및 세부 부품 선정, 그리고 사용자 요구사항에 따른 스마트 플러그의 설계 요건을 고찰하고 구현한다.
이 논문은 가정용으로 적합한 K10026 규정 기반의 스마트 플러그 시스템 개발 및 성능분석에 관한 것으로 제안된 시스템이 규정과 사용자의 요구사항에 맞는지 테스트하였으며 테스트 결과 모든 조건을 만족하는 결과를 보였다.

가설 설정

전류 측정 센서로는 션트 (Shunt Resistors)와 CT (Current Transformers) 방식이 있는데, 션트 방식은 가격이 저렴하지만 허용 전류량이 높지 않고, CT 방식은 수십 A 이상의 측정이 가능하지만 단가가 비싼 단점이 있다. 가정용으로는 션트 방식이 효율적이다. 또한 대기전력 자동차단을 위한 학습기능을 위하여 낮은 전력소모에서도 정확한 전력량 측정이 가능하여야 한다.
통신모듈은 일반적으로 플러그가 무선 장애물이 많은 바닥 구석에 위치할 것을 가정하고 2.4GHz 무선인터넷과의 혼잡 위험을 고려하여 917MHz 대역의 CC1120을 선택하였다. 447MHz 대역도 가능하지만 국내전파법상 447.

제안 방법

1차 테스트는 콘크리트 벽식구조, 철제 방화문으로 되어있는 건물에서 연구실 <-> 행정실에서 진행되었고, 2차 테스트는 연구실 <-> 회의실에서 진행되었으며, 3차는 테스트는 경량목구조, 목재 문으로 되어있는 단독주택 1층 거실 <-> 2층 안방에서 진행되었다.
특히 상대적으로 전력소모가 더 많은 RF 모듈을 최소의 전력소모로 동작시킬 수 있도록 프로토콜을 최적화시키면 효율적인 동작이 가능하다. IMSN은 비컨 구간, 송신 구간을 제외하고 나머지 구간을 슬립함으로써 에너지 효율성을 증가시켰으며, 또한 송신, 수신 완료 직후 RF 모듈을 Off 함으로써 저전력 실현이 가능하도록 하였다. 전류측정 기기인 Agilant 66312를 이용하여 한 주기 동안 전류소모가 어떻게 변하는지, IMSN 프로토콜에 따라 잘 적용되어 있는지 확인하였다.
SMUP 플러그에 산업용 집진기를 연결하고 정상동작일 때를 기본 값으로 설정 한 후, 집진기 흡입기가 막혀서 이상동작을 할 경우를 감지하여 알람 발생 및 그 오차에 대한 전력량을 송신하여 사용자가 알 수 있도록 하였다.
1% 오차율의 정확도를 갖는 측정 장비이다. WT210에 SMUP 플러그를 연결하여 부하가 없을 때 소모전력을 구한 후, SMUP 플러그에 실제 가전제품을 연결해서 나온 측정치에 SMUP 플러그 자체 소모전력을 제외하여 비교하였다. 그림 11은 전력측정 오차율 테스트 구성도이다.
대기전력 학습 및 자동차단 실험을 반복 테스트하여 동작 상태를 확인하였다. SMUP 플러그 터치버튼을 3초 이상 길게 누르면 대기전력 학습 및 설정을 할 수 있고, 부저로 설정 완료를 알려준다.
SMUP 허브는 일정기간 동안 플러그에서 올려받은 데이터를 저장하였다가 스마트 폰의 앱으로 접속되면 데이터를 한꺼번에 전송하는 기능을 포함하여 명령어와 데이터를 관리하는 역할을 담당한다. 또한 SMUP 플러그와 IMSN 프로토콜로 통신할 때 싱크노드 역할을 담당함으로써 동일 MCU와 RF를 활용하여 하나의 프로그램 공간에서 수행 할 수 있도록 하였다.
4 SMUP Plug System Architecture 과 공유기를 통한 TCP/IP 소켓 통신으로 범용성을 확보하였다. 또한, 향후 IMSN 프로토콜을 만족하는 센서 디바이스나 기타 장치들을 하나의 네트워크로 구성하여 SMUP 플러그와 연동할 수 있게 하였다.
취침 예약은 최대 3시간까지 1분 단위로 설정할 수 있고 예상 절약 전력량과 요금을 표시해준다. 스케쥴 예약은 매일, 주말, 주중, 월수금 등 다양하게 선택 가능하고, On/Off 시간은 10분 단위로 설정이 가능하고 한번 설정했던 스케쥴은 활성화, 비활성화를 선택하여 설정 변경이 편리하도록 하였다.
이 외에 로컬에 허브 대신 PC를 사용하거나 외부에 서버를 운영하는 방식이 가능하나 전력소모, 보안 관리 및 비용 등에 단점이 있어 효율적이지 못하여, 이 연구에서는 단일형과 독립형을 채택하였다.
SMUP 플러그는 정격 220V, 최대 10A 성능으로 10A 이상에서 2분 이내 과전류를 차단하여야 한다. 이 테스트에서는 편의상 4A로 설정하고 4A 이상인 전기히터를 연결하여 자동으로 과전류 차단하고 터치버튼을 짧게 눌러 차단 해제하여 정상 동작하는지 확인하는 방식으로 진행하였다.
전력측정 기기인 W210을 이용하여 대기전력 차단상태일 때 SMUP 플러그 자체 소모 전력이 기준치인 0.5W 이내를 만족하는지 테스트 하였다.
전력측정 기기인 WT210과 SMUP 플러그를 사용하여 10W, 100W, 1000W에서 오차율이 얼마인지 테스트하여 ±3% 오차율 규정에 만족하는지 고찰하였다.
전력측정 센서는 선형 에러율이 ±0.1% 이하로 전압, 전류, 유효전력 및 무효전력까지 측정할 수 있어 규정을 만족시킬 수 있는 CS5480으로 선정하였으며 이를 통해 각 측정치를 4000번 샘플링하여 RMS 값으로 나타내어 정확도를 높이고 효율적으로 운영할 수 있다.
IMSN은 비컨 구간, 송신 구간을 제외하고 나머지 구간을 슬립함으로써 에너지 효율성을 증가시켰으며, 또한 송신, 수신 완료 직후 RF 모듈을 Off 함으로써 저전력 실현이 가능하도록 하였다. 전류측정 기기인 Agilant 66312를 이용하여 한 주기 동안 전류소모가 어떻게 변하는지, IMSN 프로토콜에 따라 잘 적용되어 있는지 확인하였다.
제안하는 스마트 플러그는 SMUP 플러그로 명명하고 전체 시스템은 그림 4에서 보는 바와 같이 전력량 측정, 대기전력 자동차단 등을 갖춘 SMUP 플러그, 무선 센서네트워크와 인터넷망 사이에서 센싱 데이터와 명령어 전달 역할을 하는 허브, 모니터링 및 제어 명령어를 보낼 수 있는 스마트폰 앱으로 구성된다.
테스트 방식은 전력측정 오차율 테스트와 동일한 방식을 사용하였고, 초당 1회씩 샘플링하여 약 50초 동안 진행하였다. 그림 12를 보면, 측정 약 5초 후 대기전력이 차단되면서 0.
SMUP 플러그는 허브와 무선 통신을 하는데, 송수신 성공률이 높아야 안정적인 동작을 보장할 수 있다. 플러그에 총 횟수, 수신 횟수 구분하여 링크 정보를 포함한 패킷을 송신하고 패킷 스니퍼를 통해 확인하는 방식으로 테스트 하였다.

대상 데이터

SMPS는 원활한 인증을 위해 KC 인증을 받은 부품을 사용하였고, 래칭 릴레이가 순간적으로 높은 전류를 소모할 가능성에 대비하여 700mA 급으로 선정하였다. 또한 MCU는 메모리 (프로그램 32KB, 데이터 2KB)와 저전력 (Active: 5.
SMUP 플러그는 250V, 10A 성능을 갖고 있으며, 대기전력 학습 및 자동차단, 과전류 자동 차단, 터치 등을 통한 가전제품의 수동 제어, 그리고 앱을 이용한 원격 제어, 취침 예약, 스케쥴 예약, 고장진단 등의 기능을 내장하였다.
SMPS는 원활한 인증을 위해 KC 인증을 받은 부품을 사용하였고, 래칭 릴레이가 순간적으로 높은 전류를 소모할 가능성에 대비하여 700mA 급으로 선정하였다. 또한 MCU는 메모리 (프로그램 32KB, 데이터 2KB)와 저전력 (Active: 5.2mA, Idle: 1.2 mA), 가격 등을 고려하여 최소 스펙으로 Atmega 328로 선정하였다.
부하로 사용한 가전제품은 가능한 일정한 수치가 나오는 저항성 부하를 사용하는 것으로 전력량에 따라 4가지 제품을 선정하였다. 표 7은 전력측정오차율을 정리한 것으로, 전력량이 상대적으로 낮은 USB선풍기를 제외하고 0.

이론/모형

일반 노드들은 비컨 구간, 송신 구간, 센싱 구간을 제외하고 슬립 (sleep)함으로써 저전력을 실현한다. 본 연구의 SMUP에 대한 무선 통신 프로토콜로서 IMSN을 적용하였다.

성능/효과

논문 구성은 다음과 같다. Ⅱ 장에서 관련 연구를 살펴보고, Ⅲ 장에서 스마트 플러그 시스템 설계 방법을 서술하고 Ⅳ 장과 Ⅴ 장에서는 본 논문에서 제안하는 SMUP (SMart Useful Product) 플러그 시스템의 구현과 평가 결과를 소개하며, Ⅵ 장에서 결론을 맺는다.
전체 주기가 시작하면 비컨 구간에서 비컨 메시지 수신을 위해 Rx를 유지하면서 전력소모가 약 25mA까지 올라갔으며 수신 즉시 RF Off 하여 RF 동작기간을 10ms 이내로 하였다. 그 후 제 1 슬립 구간에서 슬립을 유지하다가, 송신구간에서 우선순위를 획득하고 센싱 데이터를 송신하여 최대 35mA로 올라갔으며 Ack 수신 후 RF Off 한 것을 알 수 있다. 제 2 슬립 구간을 거치고 다시 비컨 구간이 시작하여 반복된다.
[3]은 와이파이 기능을 내장한 플러그와 전력 소비량을 모니터링하고 제어할 수 있는 웹서버로 구성하여 사용자가 쉽게 전력 소비 상태를 체크하고 콘센트의 전원 상태를 조작할 수 있는 스마트폰용 웹을 개발하였다. 와이파이와 LCD를 사용하여 대기상태에서 기준치인 0.5W보다 높은 1.18W를 소모하고 전력량 오차 기준인 3%보다 높은 최대 7.62%의 성능을 보였다.
기상, 출근, 퇴근, 취침 등 개인 라이프 스타일에 맞추어 각자가 원하는 시간에 개별 가전제품을 제어하기 위해서는 스마트 플러그에 RTC (Real Time Clock) 등의 시간획득 모듈이 필요하고 시간을 동기화 하거나 초기화 할 수 있는 방법이 필요하다. 저전력과 소형화를 추구하는 스마트 플러그 트렌드에 맞추어 각 플러그마다 RTC를 장착하는 방식보다 기준이 되는 허브에만 기능을 넣고 스마트 플러그는 허브로부터 시간정보를 수신하여 시간에 맞는 On/Off 제어하는 방식이 보다 효율적이다.
테스트 결과 표 8에서 보는 바와 같이 200번 수행하여 차단, 해제 모두 완료하여 100% 안정적으로 동작하는 것을 확인하였다.
표 9와 같이, 테스트 결과 700번 수행하여 차단, 해제 모두 완료하여 100% 안정적으로 동작하는 것을 확인하였다.

후속연구

앞으로 계속될 연구에서는 본 논문에서 제안된 SMUP 플러그를 활용하여 NILM (Non-Intrusive Load Monitoring)을 적용함으로써 사용자가 개별 가전제품을 등록하지 않아도 자동으로 전력소모량을 분석하여 기기의 사용 내역을 인지할 수 있도록 하는, SMUP 플러그의 활용성을 높이는 연구 [15]를 진행할 예정이다.

참고문헌 (15)

Y.S. Kim, "The Resarch of UX(user experience) Development for Spreading of Smart Plug/Appliance," 2014 (in Korean).
S.J. Yun, J.I. Jeong, J.W Choi, B.W. Jang, Y.O. Han, "The Development of Smart Concent," Conference of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, Vol. 5, No. 2, pp.198-203, 2011 (in Korean).
H.S. Kim, J.H. Na, S.H. Park, S.Y. Kwak, "A Wifi Smart Power Outlet for Remote Monitoring and Control of Power Consumption," Journal of Korea Multimedia Society, Vol. 17, No.2, pp.160-169, 2014 (in Korean).

원문보기 상세보기
I. Horvat, N. Lukac, R. Pavlovic, D. Starcevic, "Smart Plug solution based on Bluetooth Low Energy," Proceedings of IEEE 5th International Conference on Consumer Electronics, pp. 435-437, 2015.
J.S. Moon, H.S. Kim, H.S. Chang, Y.S. Sun, "Implementation of a Smart Plug for Monitoring Wide Power Consumption Range and Saving Standby Power for using zigbee," Information and Control Symposium of The Korean Institute of Electrical Engineers, pp.134-135, 2015 (in Korean).
K.K. Jung, C.W. Seo, "Energy Saving System using Occupancy Sensors and Smart Plugs," Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers, Vol. 52, No. 10, pp.161-167, 2015 (in Korean).

원문보기 상세보기
M. Choi, W.K. Park, I. Lee, "Smart Office Energy-saving Service Using Bluetooth Low Energy Beacon and Smart Plugs," Proceedings of IEEE International Conference on Data Science and Data Intensive Systems, pp. 247-251, 2015.
M.S. Ahmed, A. Mohamed, R.Z. Homod, H. Shareef, A.H. Sabry, K.B. khalid, "Smart Plug Prototype for Monitoring Electrical Appliances in Home Energy Management System," Proceedings of IEEE Student Conference on Research and Devlelopment, pp. 32-36, 2015.
G,H. Park, Y.J. Kang, J.H. Youn, J.J. Kim, B.I. Moon, J.Y. Yun, "Zigbee Smartplug System for Standby Power Cutoff," Proceedings of Symposium of the Korean Institute of Communications and Information Sciences, pp.392-393, 2015 (in Korean).
J.S. Oh, H.S. Lee, "A Study of Recognition-Based user Multi-Smart Plug System," Journal of the Korean Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 17, No. 12, pp.2976-2983, 2013 (in Korean).

원문보기 상세보기
D.H. Ryu, "Networked Smart Plug System for Power Management of PC & Peripherals," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 16, No. 10, pp.2171-2176, 2012 (in Korean).

원문보기 상세보기
T.Y. Chung, H.S. Chung, H.B. Lee, L.J. Park, J.H. Moon, "Implementation of a Remote Fire Monitoring System Based on Bidirectional USN," Journal of IEMEK, Vol. 2, No. 2, pp.107-115, 2007 (in Korean).
H.B. Lee, L.J. Park, J.H. Moon, T.Y Chung, "Design and Implementation of a TDMA-based Bidirectional Linear Wireless Sensor Network," Journal of KIISE : Computing Practices and Letters, Vol. 14, No. 4, pp.341-351, 2008 (in Korean).
H.S. Chung, J.H. Moon, S.W. Park, H.B. Lee, L.J. Park, T.Y. Chung, "Design and Implementation of a Wireless Sensor Network Protocol for a Smart Power Outlet System," Journal of IEMEK, Vol. 7, No. 6, pp.291-300, 2012 (in Korean).
S. Barker, M. Musthag, D. Irwin, P. Shenoy, "Non-Intrusive Load Identification for Smart Outlets," Proceedings of IEEE International Conference on Smart Grid Communications, pp. 548-553. 2014.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증