[논문]도플러 센서를 적용한 대기전력 자동 차단복구 장치

박양재

doi:10.14400/jdc.2019.17.10.243

도플러 센서를 적용한 대기전력 자동 차단복구 장치
Development of Automatic Shutdown and Recovery Device for Standby Power using Doppler Sensor 원문보기

디지털융복합연구 = Journal of digital convergence, v.17 no.10, 2019년, pp.243 - 249

초록
AI-Helper

본 논문에서는 사용하지 않는 전기제품에서 불필요하게 소비되는 대기전력을 절감하기 위한 장치를 개발하였다. 도플러 센서를 사용하여 사람이 콘센트 주변에 존재 유무에 따라 콘센트의 전원공급과 차단을 자동으로 수행하는 장치이다. 도플러 센서는 동축 케이블 트랩을 사용하여 송신 안테나를 설계하였으며 10GHz 대역의 RF신호를 방사하여 대상 물체로부터 반사된 파장이 변화된 반사파 신호를 수신부로 수신하여 물체를 감지하여 사람의 접근을 인지하도록 하였다. 대기전력을 자동으로 차단 및 복구하여 불필요한 전력소모를 방지하여 에너지를 절약하고 누설전류에 의한 대형 화재의 위험성을 방지할 수 있는 대기전력 자동 차단 및 복구 장치를 개발하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we have developed a device to reduce the standby power consumption that is unnecessarily consumed in unused electrical appliances. The Doppler sensor is used to automatically power off and power off the outlet depending on whether or not a person is present near the outlet. The Doppler sensor uses a coaxial cable trap to design a transmitting antenna and emits a 10 GHz band RF signal and receives a reflected wave signal whose wavelength is reflected from the target object to the receiver to detect an object and recognize human approach. It automatically cuts off and restores standby power to prevent unnecessary power consumption, saving energy and developing a standby power automatic shutdown and recovery device that can prevent the risk of large fires caused by leakage current.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Configuration diagram of smart multi-tap control system
표 Table 1. Distribution of household appliances by standby power
그림 Fig. 2. Smart Multi-tap System
그림 Fig. 3. Doppler effect due to object motion
그림 Fig. 4. System configuration diagram
그림 Fig. 5. Doppler Sensor Part configuration diagram
그림 Fig. 6. Doppler Shift
그림 Fig. 8. Measurement of sensing distance of Doppler sensor(when Install on wall)
그림 Fig. 7. Diagram of Doppler Sensor
그림 Fig. 9. Measurement of sensing distanceof Doppler sensor(when Installon ceilingl)
그림 Fig. 10. Frequency change as objects get closer
그림 Fig. 11. Frequency change when the object moves away
표 Table 2. Standby power vs. Doppler power comparison table

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

따라서 본 연구에서는 가정 내에서 전자제품의 대기 전력을 수동으로 전환하는 방식이 아닌 도플러 센서를 대기전력 절감 장치에 적용하여 사람이 콘센트 근처에 접근하면 자동으로 전원을 인가하여 전원을 활성화하고 거리가 멀어지면 자동으로 전원을 차단-복구하여 대기전력을 절감하는 장치를 개발하였다.
본 연구에서는 멀티 콘센트에 연결된 사용하지 않는 가전제품을 사람이 수작업으로 멀티탭 스위치를 온-오프 하거나 플러그를 뽑아서 가전제품의 대기전력을 절감하는 대신에 사람의 움직임을 도플러 센서로 감지하여 멀티 콘센트의 전원을 자동으로 차단 및 복구하는 장치를 개발하였다. 대기전력을 자동으로 차단 및 복구하는 장치는 산업체와 가정에서 대기전력으로 소비되는 전력의 낭비를 감소시켜 경제적인 이득과 환경오염 방지 및 누설전류에 의한 대형 화재의 위험성을 방지할 수 있을 것이다.

제안 방법

10GHz 대역의 RF신호를 송신부 안테나에서 방사하기 위해 송신 안테나는 동축 케이블 트랩을 사용하여 설계하여 도플러 센서의 지향성을 개선하였다. 도플러 센서 송신 안테나의 방사 패턴을 사용하는 경우보다 더 넓은 각도로 반사파를 수신하고 온도, 습도, 소음 먼지와 같은 다양한 환경에서도 물체와 사람을 감지 할 수 있도록 설계하였다.
가정에서 많이 사용하는 가전제품인 선풍기, 에어컨, TV셋톱박스, 인터넷 공유기를 멀티탭 콘센트에 연결하고 사용하지 않을 경우의 대기전력을 측정한 결과와 도플러 센서를 멀티탭 콘센트에 연결 후 일반 가정에서 사람의 출입하도록 하고 10일간 측정하여 평균값으로 절감 되는 대기 전력은 Table 2와 같이 비교 측정하였다.
기존의 대기전력 차단 장치는 사람이 콘센트에 연결된 전자기기의 플러그를 뽑지 않고 스위치를 오프 시키면 절연 상태가 유지되어 대기전력의 소모를 방지하는 시스템이었으나 본 연구에서는 사람이 스위치를 조작하지 않고 콘센트 근처에 사람이 접근하면 도플러 센서가 감지하여 자동으로 콘센트의 전원을 공급하고 멀어지면 자동으로 차단하는 시스템을 설계하였다.
10GHz 대역의 RF신호를 송신부 안테나에서 방사하기 위해 송신 안테나는 동축 케이블 트랩을 사용하여 설계하여 도플러 센서의 지향성을 개선하였다. 도플러 센서 송신 안테나의 방사 패턴을 사용하는 경우보다 더 넓은 각도로 반사파를 수신하고 온도, 습도, 소음 먼지와 같은 다양한 환경에서도 물체와 사람을 감지 할 수 있도록 설계하였다.
도플러 센서에서 반사파를 수신기에서 수신하고, 혼합기 및 IF 신호 검출부에서 검출된 작은 신호를 증폭기에서 증폭하여 High/Low 신호를 생성한다. 이 신호를 전송받은 제어부의 기능은 대상이 물체나 사람인 경우 5V(high상태), 비검출시 0V(low 상태)에 해당하는 제어 동작 신호를 생성한다.
도플러 센서의 감지거리 측정은 벽면에 도플러 센서를 설치했을 때와 천정에 설치하였을 때 감지영역을 측정하였다. Fig.
도플러 센서의 구성은 Fig. 7과 같이 송신 안테나에서 방사된 10Ghz의 RF 신호를 방사되면 움직이는 사람에 반사파가 수신 안테나로 감지 되도록 설계하였다. 사람의 이동속도의 변화를 RF 검출기에서 감지하여 전압레벨로 변환하여 가까워졌을 때는 전원을 High상태로 멀어지면 Low상태로 CPU에 전달되어 콘센트 전원을 차단-복구 하는 스위칭 신호로 사용하였다.
도플러 센서의 물체 감지 성능을 측정하기 위하여 실험실에서 사람의 근접시 주파수의 변화를 오실로스코프를 사용하여 파형의 변화 측정하였다.
사람이 접근 시에는 주파수와 파장은 역수관계로 파장이 짧아지고 주파수가 높아지는 현상으로 물체가 감지되었음을 인식할 수 있었으며 Fig. 11은 사람이 도플러 센서에서 점점 멀어짐에 따른 주파수의 변화를 점점 작아지는 현상을 측정하였다. 즉, 사람 또는 물체가 도플러 센서에 근접여부에 따라 송신된 RF 주파수의 반사파 파장의 변화, 즉 주파수의 변화를 측정할 수 있었다.

대상 데이터

본 연구에서 도플러 센서부는 송신부, 혼합부 및 IF 신호 검출 및 수신부와 도플러 센서의 RF부, 신호 증폭부, 제어부, 및 전원부로 Fig. 5와 같이 구성된다.
시스템의 구성은 교류전원을 공급하는 교류 전원부, 교류 전원을 직류로 변환하는 교류-직류 전원 변환부, 여러 개의 콘센트 단자에 플러그가 연결 및 해체 시 대기전력 찬단 콘센트의 부하 값을 감지하여 전류레벨 값을 제어부에 전달하는 전류 센서부, 움직이는 사람이나 물체를 감지하여 감지정보를 제어부로 전달하는 도플러 센서가 있으며 제어부로부터 차단-복구 명령을 수신하여 콘센트에 예비전원을 공급하거나 차단하는 전원 제어부, 장치의 사용 중에만 동작하는 릴레이부(Relay), 플러그 삽입 감지부와 도플러 센서와 연결되며, 장치의 동작을 제어하여 각 부의 동작명령을 전달하는 제어부, 플러그 인-아웃되는 장치 고유번호가 할당된 여러 개의 콘센트 단자로 구성된 콘센트부로 구성된다. 시스템 구성도는 Fig.

성능/효과

또한 사람의 출입 횟수가 많을수록 대기전력 자동 전환 장치가 가전제품에 전력을 공급하는 시간이 많아지므로 대기전력절감 비율이 작게 발생됨을 알 수 있었다.
11은 사람이 도플러 센서에서 점점 멀어짐에 따른 주파수의 변화를 점점 작아지는 현상을 측정하였다. 즉, 사람 또는 물체가 도플러 센서에 근접여부에 따라 송신된 RF 주파수의 반사파 파장의 변화, 즉 주파수의 변화를 측정할 수 있었다. 이와 같이 주파수의 변화를 멀티 콘센트의 공급전원의 차단-공급 제어 신호로 사용하는 것이 적합함을 알 수 있다.
측정 결과 TV셋톱박스와 인터넷 공유기는 에어컨보다 소비전력은 작지만 사용하지 않은 때에도 대기전력을 많이 소모하는 장치로 도플러 센서를 장착한 콘센트에서는 대기전력 절감비율이 높아 절감 효과가 있음을 확인하였다.

후속연구

대기전력 자동 차단 및 복구 장치는 한 곳의 대기전력 절감량이 많이 발생하지 않지만, 많은 가정과 산업체에 적용한다면 누적 효과가 클 것이며, 많은 대기전력을 소모할 네트워크 가전 및 사물 인터넷, 스마트 기기에 적용 하면 효과가 높을 것으로 사료되며 앞으로 생산되는 가전제품은 설계단계에서부터 대기전력을 자동으로 차단 및 복구하는 기능을 내장하는 임베디드 시스템의 개발 및 연구가 필요하다.
본 연구에서는 멀티 콘센트에 연결된 사용하지 않는 가전제품을 사람이 수작업으로 멀티탭 스위치를 온-오프 하거나 플러그를 뽑아서 가전제품의 대기전력을 절감하는 대신에 사람의 움직임을 도플러 센서로 감지하여 멀티 콘센트의 전원을 자동으로 차단 및 복구하는 장치를 개발하였다. 대기전력을 자동으로 차단 및 복구하는 장치는 산업체와 가정에서 대기전력으로 소비되는 전력의 낭비를 감소시켜 경제적인 이득과 환경오염 방지 및 누설전류에 의한 대형 화재의 위험성을 방지할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대기전력이란 무엇인가?	오늘날 수많은 전자기기의 증가로 인하여 기존의 발전 설비의 증설이 필요하게 되었다. 대기전력의 정의는 공급전원을 오프 상태에서도 전기제품이 소비하는 전력을 말하며 전기제품이 동작하지 않아도 사용자도 모르게 전기가 소모되어 개인에게는 불필요한 전기요금과 국가에 게는 매우 큰 에너지 낭비의 주원인이 되고 있다. 우리나 라의 가정 내 대기전력을 다량으로 소비하는 기기는 순서는 셋톱박스, 인터넷 모뎀, 스텐드형 에어컨, 보일러, 유무선 공유기, 전기밥솥, 컴퓨터와 프린터로 대기전력이 많이 소모되고 있으며, 인터넷 전화기, 선풍기, 휴대폰 충전기로 상대적으로 낮은 대기전력으로 조사 되었다[1].
	국내의 대기전력을 통한 에너지 낭비가 되는 기기는 무엇인가?	대기전력의 정의는 공급전원을 오프 상태에서도 전기제품이 소비하는 전력을 말하며 전기제품이 동작하지 않아도 사용자도 모르게 전기가 소모되어 개인에게는 불필요한 전기요금과 국가에 게는 매우 큰 에너지 낭비의 주원인이 되고 있다. 우리나 라의 가정 내 대기전력을 다량으로 소비하는 기기는 순서는 셋톱박스, 인터넷 모뎀, 스텐드형 에어컨, 보일러, 유무선 공유기, 전기밥솥, 컴퓨터와 프린터로 대기전력이 많이 소모되고 있으며, 인터넷 전화기, 선풍기, 휴대폰 충전기로 상대적으로 낮은 대기전력으로 조사 되었다[1].
	도플러 센서의 원리는 무엇인가?	도플러 센서의 원리는 방사된 마이크로파 신호가 움직 이는 대상 물체에 반사되면, 신호 주파수는 대상물체의 이동속도에 비례하여 변화한다. 주기가 일정한 이동물체 로부터 반사된 신호 주파수는 같게 유지되나 위상은 시간의 변화에 비례하여 변화한다.

참고문헌 (15)

Korea Electrotechnology Research Institute. (2004). Study of standby power consumption behavior and standardization of power saving, Ministry of Commerce, Industry and Energy's Energy Technology Standardization Project Report, Seoul.
N. K Kim, K. S Seo, S. C Kim & E. D. Kim. (2004). Study on the Consumption of Standby Power Consumption in Korea, The Korean Institute of Electrical Engineers, 53(A), 472-75.
Korea Electrotechnology Research Institute. (2011). 2011 National Standby Power Survey. Seoul.
J. W. Jeon & M. Yi. (2017). Smart Multi-Tap System Based on WiFi for reduction of Standby-Power. Journal of The Korea Socity of Computre and Information, 22(6), 123-129.

원문보기 상세보기
U. H. Lee, S. H. Kim, C. S. Oh, M. S. Seo, Y. D. Kim & H. J. Park. (2014). Implememtation of Smart Multi-tap System based on Zigbee Communicatio. Journal of Korea Information and Communication Society, 39C(10), 930-936.
Y. J. Jeong. (2013). Smart Device Based Smart Energy Management System. Masters dissertation. Chung-ang university, Seoul.
S. Jeong, J. J. Lee & W. K. Jung. (2016). A Indoor Management System using Raspberry Pi. Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, 17(9), 745-752.

원문보기 상세보기
K. Y. Cho & H. S. Mok. (2006). E-Standby Equipment and Standby Power Status of Korean Information Equipment Journal of the Korean Institute of Power Electronics, 11(4), 26-31.
I. P. Kim & K. S. Ro. (2012). Analysis of TV Standby Power for Development of Energy Efficiency Standard. Journal of the Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers, 26(8), 18-26.
T. J. Kim, Y. C. Rhee & S. H. Kim. (2009). Implementation of s Microwave Doppler Sensor, Korea Institute of Electronic Communication Science, 4(2), 75-81.
N. K. Kim. (2006). Standby power status and forecast of domestic appliances. the Korea Institute of Power Electronics, 1(42), 22-25.
A. Pastorelli, G. Torricelli & M. Scabia. (2008). A Real-Time 2-D Vector Doppler System for Clinical Experimentation. IEEE Transactions on Medical Imaging, 27(10), 1515-1524.

상세보기
M. Arigovindan, M. Suhling, C. Jansen, P. Hunziker & M. Unser. (2007). Full Motion and Flow Field Recovery From Echo Doppler Data. IEEE Transactions on Medical Imaging, 26(6), 31-45.

상세보기
B. Liu, C. Liu & Y. Wang. (2013). Slice convolution based slope estimation for SAR doppler ambiguity resolver. 2013 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, 4(2), 2055-2058.
T. Yu. (2011). Novel Range-Doppler Processing and Waveform Design Method for Extending Unambiguous Doppler. 2010 International Conference on Communications and Intelligence Information Security, 152-155.

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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