[논문]무선 통신과 스마트폰을 이용한 LED 색온도 제어 조명 시스템에 관한 연구

홍영진; 임순자; 이완범

doi:10.5762/kais.2017.18.11.72

무선 통신과 스마트폰을 이용한 LED 색온도 제어 조명 시스템에 관한 연구
A study on lighting system for LED color temperature control using wireless communication and smartphone 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.11, 2017년, pp.72 - 77

홍영진 (원광대학교 전자공학과) , 임순자 (원광대학교 전자공학과) , 이완범 (원광대학교 컴퓨터.소프트웨어공학과)

초록
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현대 사회에서 조명은 인간 중심적인 자연 조명의 변화를 연출하고 에너지 소비 절감과 효율적인 관리를 위하여 IT 기술과 LED를 결합한 형태로 개발 되고 있다. 따라서 본 논문에서는 Arduino Due와 Bluetooth 및 Zigbee 무선통신 기술을 이용하여 3000K Warm LED와 6000K Cool LED로 구성된 LED 조명의 색온도 및 밝기를 제어할 수 있는 LED 조명 제어 시스템을 제안하였다. Arduino Due는 Duty rate을 조절하여 조명의 색온도를 여러 단계로 조절 할 수 있도록 하였고, 1:N 다중통신이 가능한 Zigbee 통신을 이용하여 많은 조명을 제어할 수 있도록 하였다. 그리고 Bluetooth 통신을 이용하여 스마트폰 어플리케이션으로 LED 조명을 손쉽게 제어할 수 있도록 하여 사용자의 편리성을 증대시켰다. 본 논문에서 구현한 무선통신 기반의 LED 조명제어 시스템은 3067K~5960K의 다양한 색온도 제어와 조도 제어를 통하여 인간 중심적인 조명을 연출할 수 있을 뿐만 아니라 소비전력을 줄일 수 있어 자연 친화적인 조명 시스템으로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Lighting systems in modern society has been developed using a combination of IT technology and LED lighting for the purpose of bringing about changes in human-centered natural lighting and to take advantage of the efficient management and energy saving of LED lighting. In this paper, we propose an LED lighting control system that can control the color temperature and brightness of LED lighting composed of 3000K Warm LEDs and 6000K Cool LEDs by using an Arduino Due and wireless communication technology such as Bluetooth and Zigbee. The Arduino Due allows the color temperature of the lighting to be adjusted in several steps by controlling the duty rate and enables many lights to be controlled using Zigbee communication capable of 1: N multiple communication. By using Bluetooth communication, it is possible to easily control the LED lighting by means of a smartphone application, thereby enhancing the convenience for the user. The wireless communication based LED lighting control system implemented in this study cannot only provide human-centered lighting through its color temperature control from 3067K to 5960K and illumination control, but can also reduce the power consumption and be used as a natural-friendly lighting system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

즉 기존 조명에 비하여 에너지 효율을 높이고 소비 전력을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 색온도 제어, 연색성 향상, 다양한 배광 표현 및 감성 조명 등 인간 친화적인 형태로 개발 되고 있다.[2-4] 따라서 본 논문에서는 안드로이드기반 스마트폰과 무선 통신 기술을 이용하여 LED 조명의 색온도를 제어할 수 있는 조명 시스템을 개발하고자 하였다.
[1] 과거사회의 조명은 단순히 어둠을 밝혀 주거나 어떤 주요 신호를 알려주기 위한 용도로만 사용되었지만 현대 사회에서는 기존 조명이 가지고 있는 기능보다 인간 중심적인 자연조명의 변화를 연출 할 수 있는 조명을 원하고 있다.[2] 따라서 본 논문에서는 활용이 용이한 Bluetooth 통신 기술과 노드 확장성이 유리한 Zigbee 통신기술을 이용한 안드로이드 기반의 LED 조명 제어 시스템을 구현하였다. 구현된 안드로이드 기반의 LED 조명 제어 시스템은 무선으로 조명 제어가 가능하고 스마트폰 어플리케이션을 이용하여 LED 조명의 색온도를 제어 할 수 있도록 하였다.
인간은 빛의 광학적 특성인 색온도, 연색지수, 분광분포에 따라 생리적으로 영향을 받으며, 뇌파 및 심전도와 같은 실험 측정을 통하여 생리적인 효과에 대해 증명 되었다[6-7]. 따라서 본 논문에서는 상황에 따라 색온도를 연출 할 수 있는 조명제어 시스템을 제안하였다.
현대 사회에서 조명은 어둠을 밝혀주는 기존 조명의 기능뿐만 아니라 인간 중심적인 자연 조명의 변화를 연출할 수 있는 형태로 발전하고 있다. 따라서 본 논문에서는 안드로이드 기반의 어플리케이션과 Bluetooth 통신 및 Zigbee 통신을 이용하여 사용자의 편리성과 효율성을 극대화 할 수 있는 LED 조명 제어 시스템을 구현하였다. 구현된 LED 조명 제어 시스템은 Arduino Due와 LED 드라이버 AMC7150을 이용하여 조명의 밝기 제어뿐만 아니라 다양 한 색온도를 표현 할 수 있도록 하였다.
그리고 Data Access Point로 강력한 전송수단(+20 dB정도)과 감도 좋은 수신단(-90 dB 정도)을 사용한다면 개방된 공간에서 100m까지도 지원된다[3]. 본 논문에서는 비교적 쉽고 간편하게 활용할 수 있는 Bluetooth 통신 방식과 안드로이드 기반의 어플리케이션을 개발하여 사용자가 쉽게 스마트폰으로 다운로드하여 LED 조명을 제어할 수 있도록 하였다.

제안 방법

본 논문에서 제안된 LED 조명제어 시스템은 그림 5와 같다. LED 조명 제어 부분과 안드로이드 제어 모듈 부분으로 구현하여 실험 및 검증을 수행하였다. 실험은 실내에서 이루어 졌으며, 안드로이드용 휴대폰 1대, 안드로이드 제어 모듈 1대, LED 조명제어 모듈 1대를 사용하여 실험 하였다.
Zigbee 통신은 저 전력 무선 통신 기술로서 간소화된 프로토콜과 제한적인 기능으로 데이터 크기를 줄여서 저렴한 네트워크 구축을 지원하는 무선 네트워크를 위한 국제 표준 프로토콜이다. Zigbee 통신은 IEEE 802.15.4 표준 물리(PHY)계층과 매체접근제어(MAC)계층을 사용하며 네트워크계층(NWK)과 응용지원(APS)계층, 응용(APL)계층을 규격화 하였다. 주파수와 데이터 전송률은 현재 듀얼 물리계층 형태로 주파수 대역은 868/915Mhz, 2.
따라서 본 논문에서는 안드로이드 기반의 어플리케이션과 Bluetooth 통신 및 Zigbee 통신을 이용하여 사용자의 편리성과 효율성을 극대화 할 수 있는 LED 조명 제어 시스템을 구현하였다. 구현된 LED 조명 제어 시스템은 Arduino Due와 LED 드라이버 AMC7150을 이용하여 조명의 밝기 제어뿐만 아니라 다양 한 색온도를 표현 할 수 있도록 하였다. 색온도 변화를 측정하기 위하여 3000K White LED와 6000K White LED를 사용하였으며 Duty rate를 20%비율로 제어하여 3067∼5960K의 색온도 변화와 조도 및 소비전력의 변화를 확인할 수 있었다.
[2] 따라서 본 논문에서는 활용이 용이한 Bluetooth 통신 기술과 노드 확장성이 유리한 Zigbee 통신기술을 이용한 안드로이드 기반의 LED 조명 제어 시스템을 구현하였다. 구현된 안드로이드 기반의 LED 조명 제어 시스템은 무선으로 조명 제어가 가능하고 스마트폰 어플리케이션을 이용하여 LED 조명의 색온도를 제어 할 수 있도록 하였다.
사용자가 스마트폰에서 어플리케이션으로 제어신호를 보내면 Bluetooth 통신을 사용하여 Arduino Due와 데이터 송·수신을 하게 된다. 그리고 스마트폰에서 받은 데이터를 Arduino Due에서 다시 Zigbee 통신을 사용하여 조명제어 모듈에 데이터를 보내 원하는 색온도 및 밝기를 연출할 수 있도록 하였다.
[4] 무선통신 기술 중 Bluetooth의 장점은 손쉽게 스마트폰과 연결하여 어플리케이션으로 제어가 가능하다는 것이고, Zigbee의 장점은 노드 확장성이 Bluetooth보다 좋아 다중연결이 가능하다는 것이다. 따라서 본 논문에서는 사용의 편리성과 노드확장성을 활용할 수 있도록 Bluetooth 통신과 Zigbee 통신 기술 모두를 사용하였다.
색온도 변화를 측정하기 위하여 3000K White LED와 6000K White LED를 사용하였으며 Duty rate를 20%비율로 제어하여 3067∼5960K의 색온도 변화와 조도 및 소비전력의 변화를 확인할 수 있었다. 또한 사용자의 편리성을 증대시킬 수 있는 Bluetooth 통신과 노드 확장성이 유리한 Zigbee 통신을 같이 활용함으로써 많은 수의 조명을 손쉽게 제어 할 수 있도록 하였다. 따라서 본 논문에서 제안된 LED 조명제어 시스템은 다양한 색온도 제어와 밝기 제어를 통하여 인간 중심적인 조명을 연출할 수 있을 뿐만 아니라 소비전력을 줄일 수 있어 자연 친화적인 조명 시스템으로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
구현된 LED 조명 제어 시스템은 Arduino Due와 LED 드라이버 AMC7150을 이용하여 조명의 밝기 제어뿐만 아니라 다양 한 색온도를 표현 할 수 있도록 하였다. 색온도 변화를 측정하기 위하여 3000K White LED와 6000K White LED를 사용하였으며 Duty rate를 20%비율로 제어하여 3067∼5960K의 색온도 변화와 조도 및 소비전력의 변화를 확인할 수 있었다. 또한 사용자의 편리성을 증대시킬 수 있는 Bluetooth 통신과 노드 확장성이 유리한 Zigbee 통신을 같이 활용함으로써 많은 수의 조명을 손쉽게 제어 할 수 있도록 하였다.
스마트폰에서는 최종적으로 현재의 Duty rate를 확인 할 수 있다. 색온도의 변화는 3000K Warm White LED 와 6000K Cool White LED의 Duty rate를 20% 비율로 제어 하였다.

대상 데이터

LED 조명 제어를 하기 위하여 LED, Zigbee, Arduino Due[8] 등을 사용하였다. 그림 3은 제안된 LED 조명 제어 블록도를 나타내고 있다.
안드로이드 제어 모듈에서 받은 데이터를 Arduino Due에서 연산을 통하여 PWM 제어신호를 LED 드라이버로 출력하게 되고, LED 드라이버에서는 입력받은 PWM 신호에 따라서 LED 조명를 제어하게 된다. 그림 3은 제안된 LED 조명 제어 시스템에 사용된 LED 모듈을 나타내고 있으며 3000K White 24개, 6000K White 24개 총48개로 구성하였다.
스마트폰으로 손쉽게 제어할 수 있도록 하기 위하여 스마트폰, Zigbee, Bluetooth, Arduino Due 등을 사용하였다. 그림 4는 안드로이드 제어 블록도를 나타낸 것이다.
LED 조명 제어 부분과 안드로이드 제어 모듈 부분으로 구현하여 실험 및 검증을 수행하였다. 실험은 실내에서 이루어 졌으며, 안드로이드용 휴대폰 1대, 안드로이드 제어 모듈 1대, LED 조명제어 모듈 1대를 사용하여 실험 하였다.

성능/효과

그림 7의 (a) 사진은 Cool LED의 Duty rate이 100%, Warm LED의 Duty rate이 0%이었을 때 색온도로 5960K 이었다. (b) 사진은 Cool LED의 Duty rate이 0%, Warm LED의 Duty rate이 100%일 때 색온도로 3072K 이었다.
그림 7의 (a) 사진은 Cool LED의 Duty rate이 100%, Warm LED의 Duty rate이 0%이었을 때 색온도로 5960K 이었다. (b) 사진은 Cool LED의 Duty rate이 0%, Warm LED의 Duty rate이 100%일 때 색온도로 3072K 이었다. (c)사진은 Cool LED의 Duty rate이 20%, Warm LED의 Duty rate이 40%일 때 색온도로 3633K 이었다.
(b) 사진은 Cool LED의 Duty rate이 0%, Warm LED의 Duty rate이 100%일 때 색온도로 3072K 이었다. (c)사진은 Cool LED의 Duty rate이 20%, Warm LED의 Duty rate이 40%일 때 색온도로 3633K 이었다. 측정 결과 3067∼ 5960K의 색온도 변화가 이루어짐을 확인할 수 있었다.
4는 모니터링이나 자동화 같은 산업용 제어, 재난 발생 인식이나 위치 추적등과 같은 재난 관리분야를 비롯한, 게임 분야, 가전제품 원격제어, 타이어 압력 센서와 같은 자동차 분야 등 다양한 분야에 적용되어 활용되고 있는 실정이다.[4] 무선통신 기술 중 Bluetooth의 장점은 손쉽게 스마트폰과 연결하여 어플리케이션으로 제어가 가능하다는 것이고, Zigbee의 장점은 노드 확장성이 Bluetooth보다 좋아 다중연결이 가능하다는 것이다. 따라서 본 논문에서는 사용의 편리성과 노드확장성을 활용할 수 있도록 Bluetooth 통신과 Zigbee 통신 기술 모두를 사용하였다.
(c)사진은 Cool LED의 Duty rate이 20%, Warm LED의 Duty rate이 40%일 때 색온도로 3633K 이었다. 측정 결과 3067∼ 5960K의 색온도 변화가 이루어짐을 확인할 수 있었다.

후속연구

또한 사용자의 편리성을 증대시킬 수 있는 Bluetooth 통신과 노드 확장성이 유리한 Zigbee 통신을 같이 활용함으로써 많은 수의 조명을 손쉽게 제어 할 수 있도록 하였다. 따라서 본 논문에서 제안된 LED 조명제어 시스템은 다양한 색온도 제어와 밝기 제어를 통하여 인간 중심적인 조명을 연출할 수 있을 뿐만 아니라 소비전력을 줄일 수 있어 자연 친화적인 조명 시스템으로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED 조명의 장점은 무엇인가?	따라서 에너지 소비량을 절감시키고 온실가스 배출량을 최소화할 수 있는 새로운 조명 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. LED 조명은 수은증기나 인(P)과 같은 유해한 물질을 사용하지 않아 친환경적이기 때문에 각종 환경 규제 및 기후변화협약에 대응이 가능하며, 기존 조명보다 에너지 효율이 몇 배 이상 높다는 장점을 가지고 있다. 하지만 판매 가격이 다른 조명보다 높아 보급이 지연되고 있었다.
	화석연료가 가지고 있는 문제점은 무엇인가?	현대 사회에서 가장 큰 에너지원으로 사용되고 있는 화석연료는 한정적이면서 환경오염의 주요요인으로 작용되고 있다. 그래서 전 세계적으로 화석연료를 대체할 수 있는 신재생에너지 개발뿐만 아니라 화석 연료 사용을 줄 일수 있는 에너지 절약 시스템에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있는 실정이다.
	LED 조명의 보급이 지연되었던 이유는 무엇인가?	LED 조명은 수은증기나 인(P)과 같은 유해한 물질을 사용하지 않아 친환경적이기 때문에 각종 환경 규제 및 기후변화협약에 대응이 가능하며, 기존 조명보다 에너지 효율이 몇 배 이상 높다는 장점을 가지고 있다. 하지만 판매 가격이 다른 조명보다 높아 보급이 지연되고 있었다. 그러나 생산기술 발전으로 인해 LED 가격이 하락하게 되어 LED 조명의 사용량이 급증하고 있다.

참고문헌 (8)

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.
H. Kim, M. W. LEE, "IT Convergence Smart lighting technology", Journal of The Korean Institute of Communication Sciences, vol. 28, no. 5, pp. 10-14, Apr. 2011.
W. B. Lee, "Development of Wireless Control System for High Power LED Luminaire Using Bluetooth Wireless Communication and Current Control System", Journal of KAIS, vol. 17, no. 3, pp. 66-72, Mar, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.3.66
Y. H. Jang, H. Y. Kim, "Implementation of a LED light control module using Zigbee", Journal of KAIS, vol. 13, no. 10, pp. 4740-4744, Oct. 2012. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.10.4740
J. N. Woo, G. S. Park, "Android Programming", Published by HANBIT Academy, Inc. 2017.
B. G. Lee, S. K. Hur, C. W. Yi, "A study on sensitivity criteria of the LED lighting with a focus on preference evaluation of Color temperature", Proceedings of KIIEE Annual Conference, pp. 53-56, Nov. 2011.
S. D. Jee, S. H. Lee, K. J. Choi, J. K. Park, C. H. Kim, "Sensibility Evaluation on the Correlated Color Temperature in White LED Lighting", Journal of KIIEE, vol. 22, no. 4, pp. 1-12, Apr. 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.5207/JIEIE.2008.22.4.001

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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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