[논문]ZigBee를 적용한 누전상태 모니터링시스템 구현

주재한; 나승권

doi:10.12673/jant.2017.21.1.107

초록
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최근 가정이나 산업용 건물에서 컴퓨터, TV, 냉장고, LED 조명 등 가전기기들의 누전전류에 의한 감전사고가 지속적으로 발생하고 있다. 그리고 가정 내 벽면에 설치된 콘센트에 직접 연결되어 제어 하는 누전차단 모듈들은 모듈 후단에 병렬로 연결된 각각의 가전기기들의 누전상태를 확인하기가 쉽지 않다. 또한 전류가 정상적인 전류의 통로 이외로 흐르는 누전전류를 기존의 누전차단기들은 배전함에 설치되어 누전시 전원을 차단해 주는 역할 을 한다. 가전기기의 누전으로 인한 감전, 화재 등 여러 가지 재해가 발생하여 누전전류의 위험성이 심각하게 제시되고 있다. 이에 근거리 무선통신시스템 중에서 저전력과 저가격 면에서 장점이 많은 IEEE 80215.4 기반의 지그비통신을 이용하여 상시 감시할 수 있는 누전상태 모니터링시스템 구현방안을 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, electric shock accidents due to electric leakage currents of household appliances such as computers, TVs, refrigerators, and LED lights are continuously occurring in homes and industrial buildings. And it is not easy to check the leakage current of each household appliances connecte...

In recent years, electric shock accidents due to electric leakage currents of household appliances such as computers, TVs, refrigerators, and LED lights are continuously occurring in homes and industrial buildings. And it is not easy to check the leakage current of each household appliances connected in parallel at the rear end of the module. In addition, the leakage current flowing through the path of the normal current other than the existing current leakage circuit breakers are installed in the distribution box, only the function to cut off the power when the leakage. Therefore, there are various disasters such as electric shock and fire caused by short circuit of household appliances, and the risk of such leakage current is seriously presented. In this paper, we propose a method to implement a leakage monitoring system that can be monitored at all times using Zigbee communication based on IEEE 80215.4, which has advantages in low power and low cost among short range wireless communication systems.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 가전기기에 대한 누전을 지그비에 의해 상시 감시할 수 있는 누전상태 모니터링시스템 구현방안을 제시하고자 한다.

제안 방법

4GHz 물리계층의 데이터속도는 250kbps이고, 16-ary orthogonal modulation 을사용하여 데이터를 전송한다. 그리고 각 심볼구간 동안 4개의 정보 bit을 하나의 심볼로 mapping하고 각 심볼에 따라 16개의 PN 시퀀스중 하나를 선택하여 확산시키고, 각 chip 시퀀스를 O-QPSK (offset quadrature phase shift keying)방식으로 변조 시켜 펄스 성형후 전송한다. 이후의 과정은 송신단의 역과정이며, 이를 통해 원래 신호로 복원된다[7].
본 논문에서 제안한 누전차단기는 기존 회로의 특성을 전부 적용하지 못해서 30 mA이상에서만 정상작동을 했다. 지그비 통신은 장애물이 없는 3 m이내에서 통신을 하였다.
현재 사용되는 누전차단기의 성능 및 회로를 분석하고, 지그 비를 적용한 누전차단기 회로를 이용하여 누전 상태를 확인할 수 있는 누전모니터링시스템을 구성한다.

대상 데이터

표 6은 본 논문에서 사용하는 누전차단시험기 기술적인 사양이다. 본 성능시험에서는 AC 220V, 60Hz 전원을 사용하고, 누전시험의 누전전류는 10, 30, 70 mA에서 시험하였다. 표 7은 각 누전전류에 대응하는 누전차단기 응답시간을 측정한 것이다.
본 논문에서 제안한 누전차단기는 기존 회로의 특성을 전부 적용하지 못해서 30 mA이상에서만 정상작동을 했다. 지그비 통신은 장애물이 없는 3 m이내에서 통신을 하였다. 하나의 노드에서는 통신에 장애가 없었지만 노드가 많아질 경우 통신량이 많아져 통신 속도가 낮아질 우려가 있다.

후속연구

본 논문에서 제안된 시스템은 가전기기에 내장된 누전차단기 회로를 응용했기 때문에 각각의 기기들의 누전상태를 확인할 수 있어 기존 시스템 보다는 좀 더 누전을 세밀하게 모니터링 할 수 있을 것이라 기대한다. 또한 이 시스템은 저 전력과 가격 면에서 장점이 많은 IEEE 80215.4 기반의 지그비 통신을 이용했고, 기존의 홈네트워크의 호환성도 기대된다.
가정 내 벽에 설치된 콘센트에 직접 연결되어 제어 되는 누전차단 모듈들은 모듈 후단에 병렬로 연결된 각각의 가전기기들의 누전상태를 확인하기는 쉬운 일이 아니다. 본 논문에서 제안된 시스템은 가전기기에 내장된 누전차단기 회로를 응용했기 때문에 각각의 기기들의 누전상태를 확인할 수 있어 기존 시스템 보다는 좀 더 누전을 세밀하게 모니터링 할 수 있을 것이라 기대한다. 또한 이 시스템은 저 전력과 가격 면에서 장점이 많은 IEEE 80215.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지그비란 무엇인가?	지그비는 저속, 저비용, 저전력의 무선망을 위한 기술로, 주로 양방향 무선 개인영역통신망(WPAN)기반의 홈네트워크 및 무선 센서망에서 사용되는 기술이고, 지그비 얼라이언스 (zigbee alliance) 에서 IEEE 802.15.
	지그비의 장점 및 활용 분야는 어떻게 되는가?	이 같은 근거리 무선통신시스템 중에서 지그비(Zigbee)는 비교적 전력소모가 낮다는 장점을 가지고 가정 및 사무실의 스마트 홈네트워크, 원격검침시스템, 주차 및 운송 인프라, 환경 모니터링 등 환경 및 에너지, 산업자동화 분야 등으로 점점 그 이용도가 확대되고 있는 추세이다.
	누설 전류 모듈의 기능은 무엇인가?	누설 전류 모듈은 두 가지 기능을 한다. 첫 번째는 누설전류를 차단하는 누전차단기 기능이다. 누전 발생 시 무엇보다 안전이 중요하기 때문에 먼저 가전기기로 공급되는 전원을 차단한다. 두 번째는 누전발생 신호를 센서 모듈로 전달하는 기능이다. 전자는 그림 6의 누전차단기에서 RELAY 1을 통해서 이루어진다. 후자는 RELAY 2에 의해 발생되는데 RELAY1과 동시에 작동한다. RELAY 2의 공통단자(COM)에는 센서부로부터 3V의 전원이 연결되어 있다. 누전이 발생되어 RELAY 2가 동작하면 RELAY 2의 A접점에 연결된 누전신호 입력 라인을 통해 센서 모듈로 신호가 입력된다.

참고문헌 (10)

D. H. Sin, J. Y. Jeong, and S. H. Gang, "Trends and prospects of internet things," Review of Korean Society for Internet Information., Vol. 14, No. 2, pp. 32-46, 2013.
M. Mitolo, "Shock hazard in the presence of protective residual current devices," IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 46 No. 4, pp.1552-1557, 2010.

상세보기
L. Zheng, "ZigBee wireless sensor network in industrial applications," in SICE-ICASE, International Joint Conference, Busan: Korea, pp.1067-1070, Oct. 2006.
P. D. Marco, P. Park, C. Fischione, and K. H. Johansson, "Analytical modeling of multi-hop IEEE 802.15.4 networks," IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 61, No. 7, pp. 3191-3208, 2012.

상세보기
X. Xu, D. Yuan, and J. Wan,"An enhanced routing protocol for ZigBee/IEEE 802.15.4 wireless networks," in 2008 Second International Conference on Future Generation Communication and Networking, Vol. 1, pp. 294-298, Dec. 2008.
G. Sutton, R. Liu, and I. Collings, "Modelling IEEE 802.11 DCF heterogeneous networks with rayleigh fading and capture," IEEE Transactions on Communications., Vol. 61, No. 8, pp. 3336-3348, Aug. 2013.

상세보기
A. Faridi, M. R. Palattella, M. Dohler, G. Boggia, A. Grieco, P. Camarda, and A. Lozano, "Comprehensive evaluation of the IEEE 802.15.4 MAC layer performance with retransmissions," IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 59, No. 8, pp. 3917-3932, Oct. 2010.

상세보기
Massimo Mitolo,"Shock Hazard in the Presence of Protective Residual Current Devices", IEEE Transactions on Industry Applications, pp. 1552-1557, 2010.
M. Cavalcanti, K. Oliveira, A. Farias, F. Neves, and G. Azevedo, "Modulation techniques to eliminate leakage currents in transformerless three-phase photovoltaic systems," IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 57, No 4. pp. 1360-1368. 2010.

상세보기
Z. Liu, and G. Li, "Selective leakage protection for underground distribution networks based on DSP," Safety in Coal Mines, Vol. 39, No. 3, pp.26-29, 2008.

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