[논문]Zigbee-MQTT 기반 스마트 홈 환경에 적합한 대기전력 차단 시스템 설계 및 구현

장영환; 양승수; 박석천

doi:10.7236/jiibc.2017.17.4.129

Zigbee-MQTT 기반 스마트 홈 환경에 적합한 대기전력 차단 시스템 설계 및 구현
Design and Implementation of Standby Power Cutoff System for Smart Home Environment Based on Zigbee-MQTT 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.17 no.4, 2017년, pp.129 - 135

장영환 (가천대학교 IT융합공학과) , 양승수 (가천대학교 IT융합공학과) , 박석천 (가천대학교 컴퓨터공학과)

초록
AI-Helper

최근 IoT 기술 발전에 따라 스마트 홈과 같은 부가서비스들이 증가하면서 내부에서 사용하는 기기들의 전력 소비량에 대한 관심이 증가하고 있다. 특히 기기들의 주 기능이 수행되지 않는 동안 발생하는 대기전력 사용량이 전력에너지의 약 11%로 나타나면서 대기전력 차단에 대한 문제점이 제시되고 있다. 그러나 실질적으로 대기전력을 차단하기 위해서는 플러그를 뽑아야한다는 문제점이 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 문제점을 개선하기 위해 사용자의 참여도를 최소화하여 자동적으로 제어 및 관리할 수 있는 대기전력 차단 알고리즘을 설계 및 구현하였다. 구현한 시스템을 평가한 결과 기존 시스템보다 평균 약 5.89Wh의 대기전력 차단율이 향상된 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, with the development of IoT technology, there has been an increase in interest in the power consumption of the devices used by the internal devices. Especially, the standby power consumption during the main function of the devices is about 11% of the power energy and the problem of standby power interruption is suggested. However, there is a problem that the plug must be unplugged in order to substantially shut off standby power. Therefore, in this paper, we design and implement a standby power cutoff algorithm that can automatically control and manage users' participation in order to solve there problems. As a result of evaluating the implemented system, it was confirmed that the standby power interruption rate improved by about 5.89Wh on average compared to the existing system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

따라서 본 논문에서는 Zigbee 네트워크에서 MQTT(Message Queueing Telemetry Transport)를 이용한 대기전력 차단 시스템을 설계하여 사용자의 기기 사용패턴을 분석 및 도출하고, 대기전력 사용 여부를 판단하여 자동적으로 대기전력을 차단할 수 있도록 하였다.
따라서 본 논문에서는 Zigbee와 IoT 표준 프로토콜인MQTT를 이용하여 IoT 기기와 상호호환성을 향상시키고 사용자의 전력 소비 패턴을 분석할 수 있는 시스템을 설계 및 구현하였다.

제안 방법

구현한 시스템의 성능을 평가하기 위해 기존 대기전력 차단 시스템과 비교평가를 진행하였으며, 동일한 항목과 환경에서의 시뮬레이션을 통해 대기전력 차단율을 평가하였다.
다음으로 센서 모듈에서 수신되는 데이터의 정보를 확인하고 센서 모듈에 연결된 기기 전원 및 현재의 상태 값을 추출한다. 대기전력 차단 알고리즘은 그림 5와 같이 설계하였다.
또한 사용자가 손쉽게 대기전력 차단 시스템을 이용할 수 있도록 클라이언트와 스마트폰 등과의 소켓 통신을 통해 데이터를 송수신하여 기기 모니터링 및 제어가 가능하도록 설계하였다.
본 논문에서 구현한 Zigbee-MQTT 기반 대기전력 차단 시스템을 평가하기 위해 각 제조사에서 제시하는 대기전력 소모량과 통계청에서 조사한 평균 대기시간을 기준으로 평가를 진행하였다.
본 논문에서 설계한 Zigbee-MQTT 기반 대기전력 차단 시스템은 그림 8와 같이 사용자의 편의를 위해 스마트폰이나 태블릿 PC를 통해 스마트 홈 환경의 대기전력을 자동 제어 및 관리할 수 있도록 하였다.
본 논문에서 설계한 Zigbee-MQTT 기반 대기전력 차단 시스템은 사용자의 참여도를 최소화하고 사용자의 기기사용 패턴을 분석하여 대기전력 소비량에 따라 사용자에게 출력해준다. 구현환경은 표 1과 같다.
본 논문에서 설계한 대기전력 자동 차단 알고리즘은 클라이언트에서 기기가 연결되면 센서 모듈을 통해 수신데이터를 가공하고 연결된 기기의 대기전력 값을 저장하며, 최초 연결 시의 대기전력 값을 저장한다.
본 논문에서 설계한 대기전력 차단 시스템은 센서부와 클라이언트, 서버, MQTT 사용을 위한 브로커로 구성하였다. 전체 시스템 구성도는 그림 4와 같다.
본 논문의 구성은 1장 서론에 이어 2장에서 MQTT와 기존 대기전력 차단 시스템을 조사하고, 3장에서는 Zigbee와 MQTT를 이용하는 대기전력 차단 시스템을 설계하였다. 또한 4장에서는 설계한 시스템을 구현 및 평가하고, 마지막으로 5장에서 결론을 맺는다.
설계한 대기전력 자동 차단 알고리즘은 기본적으로 지속적인 반복으로 구성되어 있으며, 주변 기기들을 확인하여 센서와의 연결 여부를 확인한다.
설계한 시스템은 사용자가 물리적으로 플러그를 제거하지 않아도 자동적으로 제어·관리가 가능하며 대기전력을 차단할 수 있는 것을 전제로 한다.
설계한 어플리케이션은 임베디드 보드와 연계하여 포트를 상시 오픈하므로 사용자는 언제, 어디서나 접속이 가능하며 임베디드 보드에 할당된 IP와 포트를 입력하여 접속한다.
스마트 홈에서 사용하는 무선 네트워크상에서 Zigbee-MQTT을 이용하기 위한 모듈과 대기전력을 On/Off 시킬 수 있는 모듈로 구성하여 대기전력 차단 시스템을 설계하였다. 설계한 대기전력 차단 시스템의 개요도는 그림 2와 같다.
이를 위해 콘센트 스위치에 탑재된 Zigbee 센서 모듈은 상시 동작하게 하고, 임베디드 보드에 실시간으로 데이터를 전송하도록 하였다.

대상 데이터

본 논문에서 설계한 Zigbee-MQTT 기반 대기전력 차단 시스템은 센서 모듈과 CC2510 모듈, 무선통신을 지원하는 콘센트로 구성되어있다.
평가 항목은 스마트 홈을 비롯해 일반 가정에서도 쉽게 볼 수 있는 가전기기를 중심으로 선정하였다. 평가 데이터 및 대기전력량은 표 2와 같다.

데이터처리

또한 기존 시스템과의 비교를 위해 IEEE 802.15.4azEEE를 적용한 시스템과 비교평가를 진행하였다. 비교평가 결과는 표 3과 같다.

이론/모형

특히 센서 데이터와 같은 원격 데이터 전송에 적합하고, 스마트폰 어플리케이션에서 클라이언트 간 메시지 교환을 위해 MQTT 프로토콜을 사용한다.

성능/효과

기존 IEEE 802.15.4az EEE를 적용한 대기전력 차단시스템과 제안 시스템을 평가한 결과 기존 시스템 대비 평균 약 5.89Wh의 대기전력 차단율이 향상된 것을 확인하였다. 이를 월별로 계산하면 평균 약 176.
설계한 시스템의 동작성, 대기전력 차단율에 대한 평가를 진행하기 위해 기존 대기전력 차단 시스템과 비교평가를 진행하였으며, 평가 결과 기존 시스템 대비 대기전력 차단율이 약 5.89Wh 향상된 것을 확인하였다.
89Wh의 대기전력 차단율이 향상된 것을 확인하였다. 이를 월별로 계산하면 평균 약 176.7Wh의 대기전력이 차단되며, 연간 약 2.150KWh의 대기전력 소비 저하가 가능하다고 할 수 있다.
평가 결과 기존 시스템에 비해 대기전력 차단율이 평균 약 5.89Wh 향상된 것을 확인하였다.

후속연구

본 연구는 지속적으로 증가하고 있는 센서와 무선 네트워크에 적용이 가능하며, 매년 증가하는 대기전력 소비량을 낮출 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대기전력을 차단함에 있어 발생하는 문제점을 개선하기 위해 제시된 것은?	그러나 실질적으로 대기전력을 차단하기 위해서는 플러그를 뽑아야한다는 문제점이 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 문제점을 개선하기 위해 사용자의 참여도를 최소화하여 자동적으로 제어 및 관리할 수 있는 대기전력 차단 알고리즘을 설계 및 구현하였다. 구현한 시스템을 평가한 결과 기존 시스템보다 평균 약 5.
	전력 에너지란?	전력 에너지는 스마트 홈에서 전력을 사용하는 TV,냉장고, 셋톱박스 등이 동작하는 동안 소비하는 에너지를 의미한다.[2]
	국내 전체 에너지 비율 중 수입에너지의 비율은 얼마인가?	국내의 전체 에너지 비율 중 약 97%는 수입에너지이며, 이 중 약 20%는 전력 에너지로 소모되고 있다.[1]

참고문헌 (8)

Suk-Il Hong, Kwang-Soon Choi, Ji-Man Hong, "Design of Power Management System Supporting Automatic Detection and Cutoff of Standby Power for Enhancing User Convenience," Journal of the Korea Society of Computer and Information, Vol. 19, No. 6, pp. 27-35, June, 2014. DOI : http://dx.doi.org/10.9708/jksci.2014.19.6.027

원문보기 상세보기
Eung-Nam Ko, "An Error Detection and Recovery System for Multimedia Distance Education based on IP-USN," Proceeding of Korean Institute of Information Technology, June, 2009. DOI : http://www.dbpia.co.kr/Article/NODE01211452
Geun-Hyung Park, You-Jin Kang, Ji-Ho Youn, Jung-Joon Kim, Byung-In Moon, Joon-Young Yun, "Zigbee Smartplug System for Standby Power Cutoff," Proceeding of Symposium of the Korean Institute of Communications and Information Sciences, pp. 392-393, Nov, 2015. DOI : http://www.dbpia.co.kr/Article/NODE06564727
Shin-Ho Lee, Hyeon-Woo Kim, Hong-Taek Ju, "Design of the High-Level Architecture of Mobile Integration SNS Gateway and the MQTT Based Push Notification Protocol," Journal of the Korean Institute of Communication Sciences, Vol. 38, No. 5, pp. 344-354, May, 2013. DOI : http://dx.doi.org/10.7840/kics.2013.38B.5.344

원문보기 상세보기
Hun Jung, "Study on the MQTT Protocol Design for the Application of the Real-Time HVAC System," Journal of Internet, Broadcasting and Communication, Vol. 8, No. 1, pp. 65-72, Feb, 2016. DOI : http://dx.doi.org/10.7236/IJIBC.2016.8.1.65
Sang-Hyun Kim, Dong-Hwi Kim, Hyeung-Seok Oh, Hyun-Sig Jeon, Hyun-Ju Park, "The Data Collection Solution Based on MQTT for Stable IoT Platforms," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 20, No. 4, pp. 728-738, Apr, 2016. DOI : http://dx.doi.org/10.6109/jkiice.2016.20.4.728

원문보기 상세보기
Seong-Cheol Kang, Jin Seek Choi, "Design and Implementation of Realtime Demand and Response Gateway in Smart Home Based on MQTT," Proceeding of Symposium of the Korean Institute of Communications and Information Sciences, pp. 60-61, June, 2016. DOI : http://www.dbpia.co.kr/Article/NODE06740003
Jong-Hee Lee, Jun-Ho Bang, Hyun-Jun, Chun, Beom-Geun Seo, In-Ho Ryu, "ICT based Wireless Power Transmission System Development," Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 17, No. 5, pp. 67-73, May, 2016. DOI : http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.5.67

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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