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문제 정의
- 이러한 적용 추세는 점차 증가할 것으로 예상된다. 본 논문에서는 대체 전력으로 태양광을 사용하는 경우에 부족한 저전력 에너지를 효과적으로 배분하고 활용하는 방식에 관한 것이다.
- 아두이노와 연결된 라즈베리파이 보드는 아두이노의 동작 on/off를 수신하여 작동 여부를 결정한다. 본 논문은 이러한 체계를 보다 효과적으로 운영하기 위한 연구이다. 아두이노는 단순한 시스템 제어 신호를 주기적으로 송출하고 라즈베리파이 보드는 이 신호에 따라 지정된 임무를 수행하도록 하였다.
- IOT 일반화에 따라 상시 전력이 부재한 상황 하에서도 작동 가능한 기기 설치 요구가 늘고 있다. 이러한 상황의 대체 전력으로는 주로 태양광을 이용하며, 본 논문에서는 이러한 저전력 환경 하에서도 작동할 수 있는 효과적인 제어 체계를 제안하고 실험하였다. 실험 대상 기기는 일정한 주기별로 카메라 촬영을 진행하는 장치이며, 제어 프로그램 작동 모듈은 라즈베리파이 보드를 사용하였다.
제안 방법
- (그림 2)는 본 논문에서 제안하는 저전력 구동 체계의 구성도이며 아두이노와 라즈베리파이 보드를 상호 결합하여 통신하도록 하였다. 태양광 전력 생산은 기본적으로 12V를 기본으로 하는데 사용하는 아두이노는 9V, 라즈베리파이는 12V 전력체계이다.
- 9시간 작동 시간대의 구성 요소별 소비 전력을 측정 하였다. 이 시간대 동안 전체 시스템의 평균 소비 전력은 0.
- 제안하는 저전력 구동체계는 이 두 보드 외에도 DSLR 카메라, 무선통신모듈이 사용되며 각각의 전원 공급 또한 프로그램으로 제어되도록 구성하였다. 각각의 전력 공급 스위치 카메라(9V), 라즈베리 파이 보드(5V)의 스위치는 아두이노의 GPIO 와 연결되어 제어되도록 구성하였다. 반면에 라즈베리 파이는 아두이노의 대기 시간 설정을 위한 시리엘 통신 채널을 유지하며, 필요한 대기 시간을 무선통신으로 원격 전달 받아서 아두이노에 시리얼 통신으로 지정하는 역할을 담당한다.
- 기기가 작동하는 9시간 동안과 대기하는 이후 15시간을 서로 구분하여 시스템의 소비 전력을 측정하였다. 18시 이후에 14시간 동안의 아두이노 보드의 소비 전력량을 표시한 것이다.
- 일정한 주기별로 1번씩 촬영이 진행되더라도 라즈베리파이 보드는 계속 활성화 상태로 전력 소모가 진행될 수 있는 데, 본 논문에서는 주기별로 전원을 차단하고 다음 촬영 시에 맞추어 재활성화하는 전략을 사용하였다. 본 논문에서는 이러한 전원 차단/공급 관제를 위한 장치로 별도의 아두이노 보드를 적용하였다. 아두이노 보드는 정해진 시간별로 라즈베리파이에 전력을 공급하는 역할을 한다.
- 본 논문의 구성은 라즈베리와 아두이노의 보드 특성을 비교 살펴보고, 본 논문에서 제안하는 저전력 구동 알고리즘을 설명한다. 다음으로 실제 구현한 결과물을 일별 시간별로 전력 소모 실험을 진행하여 그 결과를 측정하고 마지막으로 결론을 제시한다.
- 아두이노와 라즈베리파이의 상호 연결을 만들고 주변 장치들의 전력 공급과 변환을 위한 별도의 보드 제작이 필요하고, 본 논문에서는 (그림 2) 를 기반으로 하는 베이스 보드를 제작하고 그 위에 라즈베리보드와 아두이노 보드를 연결하도록 하였다.
- 아두이노 보드는 정한 기간 동안 대기하고 있다가 정한 시간에 맞추어 라즈베리파이 보드에 전원 공급을 진행한다. 이 대기 시간은 역으로 라즈베리파이 보드로부터 시리얼 통신으로 접수되며, 아두이노를 이 값만큼 대기하도록 프로그램하였다. (그림 3)에서 8번 핀은 라즈베리파이 보드 스위치를 나타내고 변수 “interval”은 라즈베리 파이 보드의 전송값이다.
- 태양광 전력 생산은 기본적으로 12V를 기본으로 하는데 사용하는 아두이노는 9V, 라즈베리파이는 12V 전력체계이다. 이를 해결하기 위한 전압 변환용 칩을 포함하는 보조적인 보드 구성을 마련하고 적용하였다. 제안하는 저전력 구동체계는 이 두 보드 외에도 DSLR 카메라, 무선통신모듈이 사용되며 각각의 전원 공급 또한 프로그램으로 제어되도록 구성하였다.
- 본 논문의 실험 대상 기기는 일정한 주기별로 DSLR 카메라 촬영을 진행하는 장치이며, 제어 프로그램 작동 모듈은 라즈베리파이 보드를 사용하였다. 일정한 주기별로 1번씩 촬영이 진행되더라도 라즈베리파이 보드는 계속 활성화 상태로 전력 소모가 진행될 수 있는 데, 본 논문에서는 주기별로 전원을 차단하고 다음 촬영 시에 맞추어 재활성화하는 전략을 사용하였다. 본 논문에서는 이러한 전원 차단/공급 관제를 위한 장치로 별도의 아두이노 보드를 적용하였다.
- 실험 대상 기기는 일정한 주기별로 카메라 촬영을 진행하는 장치이며, 제어 프로그램 작동 모듈은 라즈베리파이 보드를 사용하였다. 일정한 주기별로 1번씩 촬영이 진행되더라도 라즈베리파이 보드는 계속 활성화 상태로 전력 소모가 진행될 수 있는 데, 본 논문에서는 중간 시기에 전원 차단하고 다음 촬영 시 재활성화하는 전략을 사용하였다. 이러한 전원 차단/공급 관제를 위한 장치로 별도의 아두이노 보드를 적용하였다.
- 실험은 2018년 11월 6일부터 2018년 11월 15일까지 총 10일간 진행하였다. 전력 사용은 08시부터 17:00까지 총 9시간 진행하였다. 전력 소비 기기는 라즈베리파이와 아두이노 결합 보드와 DSLR 카메라로 구성하였다.
- 제안하는 시스템은 아두이노의 아날로그 제어 신호를 이용하여 주변 기기의 전력을 관리하도록 설계하였다. 아두이노와 연결된 라즈베리파이 보드는 아두이노의 동작 on/off를 수신하여 작동 여부를 결정한다.
- 이를 해결하기 위한 전압 변환용 칩을 포함하는 보조적인 보드 구성을 마련하고 적용하였다. 제안하는 저전력 구동체계는 이 두 보드 외에도 DSLR 카메라, 무선통신모듈이 사용되며 각각의 전원 공급 또한 프로그램으로 제어되도록 구성하였다. 각각의 전력 공급 스위치 카메라(9V), 라즈베리 파이 보드(5V)의 스위치는 아두이노의 GPIO 와 연결되어 제어되도록 구성하였다.
대상 데이터
- 더욱이 한정된 공간에 설치하는 경우 작은 크기의 판넬 정도만 설치 가능하다. 본 논문에서는 (그림 1)과 같이 13 Watt 용량의 태양광 패널 1장과 50A 배터리로 태양광 발전 체계를 구성하였다.
- 아두이노는 단순한 시스템 제어 신호를 주기적으로 송출하고 라즈베리파이 보드는 이 신호에 따라 지정된 임무를 수행하도록 하였다. 본 논문의 실험 대상 기기는 일정한 주기별로 DSLR 카메라 촬영을 진행하는 장치이며, 제어 프로그램 작동 모듈은 라즈베리파이 보드를 사용하였다. 일정한 주기별로 1번씩 촬영이 진행되더라도 라즈베리파이 보드는 계속 활성화 상태로 전력 소모가 진행될 수 있는 데, 본 논문에서는 주기별로 전원을 차단하고 다음 촬영 시에 맞추어 재활성화하는 전략을 사용하였다.
- 이러한 상황의 대체 전력으로는 주로 태양광을 이용하며, 본 논문에서는 이러한 저전력 환경 하에서도 작동할 수 있는 효과적인 제어 체계를 제안하고 실험하였다. 실험 대상 기기는 일정한 주기별로 카메라 촬영을 진행하는 장치이며, 제어 프로그램 작동 모듈은 라즈베리파이 보드를 사용하였다. 일정한 주기별로 1번씩 촬영이 진행되더라도 라즈베리파이 보드는 계속 활성화 상태로 전력 소모가 진행될 수 있는 데, 본 논문에서는 중간 시기에 전원 차단하고 다음 촬영 시 재활성화하는 전략을 사용하였다.
- 전력 사용은 08시부터 17:00까지 총 9시간 진행하였다. 전력 소비 기기는 라즈베리파이와 아두이노 결합 보드와 DSLR 카메라로 구성하였다. 일별로 거의 비슷한 소비 전력을 보였으며 그 결과는 (그림 5)와 같고, 일별 소비 전력이 유사하기 때문에 누적 소비 전력그래프 또한 상응하여 비례함을 확인할 수 있다.
이론/모형
- 일정한 주기별로 1번씩 촬영이 진행되더라도 라즈베리파이 보드는 계속 활성화 상태로 전력 소모가 진행될 수 있는 데, 본 논문에서는 주기별로 전원을 차단하고 다음 촬영 시에 맞추어 재활성화하는 전략을 사용하였다. 본 논문에서는 이러한 전원 차단/공급 관제를 위한 장치로 별도의 아두이노 보드를 적용하였다. 아두이노 보드는 정해진 시간별로 라즈베리파이에 전력을 공급하는 역할을 한다.
성능/효과
- 18시 이후에 14시간 동안의 아두이노 보드의 소비 전력량을 표시한 것이다. 시간 당 시스템의 소비전력은 9시간 작동 시간대에 평균 0.002 kwh를 보이다가 15시간의 대기 시간은 0.001kwh로 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 대기 시간대는 아두이노 보드만 작동하고 라즈베리는 작동을 멈춘 상황에서 대기하는 기간이다.
- 아두이노 보드는 정해진 시간별로 라즈베리파이에 전력을 공급하는 역할을 한다. 실험결과, 일별 시간별로 일정하고 안정적인 전력 소모가 측정되었다. 아두이노의 소비전력이 0.
- 0175 로 측정되었는 데 이 소비전력은 아두이노와 라즈베리 보의 합으로 볼 수 있다. 아두이노 보드는 타이머의 역할로 단순 동작을 반복하는 역할이기 때문에 라즈베리보다 전력 소모의 패턴이 일정한 것으로 조사되었다. 시스템 대기 시간대인 17시부터 다음날 08시까지는 타이머 역할의 아두이노 보드만 동작하므로 이 기간대의 소비 전력을 15시간으로 나누어 평균적인 아두이노 전력 소비량을 구하였더니 0.
- 실험결과, 일별 시간별로 일정하고 안정적인 전력 소모가 측정되었다. 아두이노의 소비전력이 0.0092 kwh인데 비하여 라즈베리파이는 0.0083kwh인 것으로 확인되어, 라즈베리파이가 아두이노 보드 소비 전력의 90.2% 만을 소모하는 효율성을 확인할 수 있었다. 추후 연구로는 무선통신모듈까지 포함한 IOT 시스템에서 통신량에 따른 전력 소모 효율성을 실험하는 것이 필요하다.
- 하루 24 시간 이 소비 전력이 유지된다고 보고 시스템 작동 시간대인 08시부터 17시까지의 라즈베리 소비 전력을 구한 것이 <표 3>이다. 이 시간대 동안에 아두 이노의 소비전력이 0.0092 kwh인데 비하여 라즈베리파이는 0.0083kwh 인 것으로 확인되었으며, 절전없이 라즈베리 파이를 구동하는 경우는 0.1748 kwh 로 검출되었다. 결국 아두이노를 결합하여 절전하는 경우 라즈베 리의 소비전력량을 약 81% 절감한 것으로 조사되었다.
후속연구
- 본 논문의 구성은 라즈베리와 아두이노의 보드 특성을 비교 살펴보고, 본 논문에서 제안하는 저전력 구동 알고리즘을 설명한다. 다음으로 실제 구현한 결과물을 일별 시간별로 전력 소모 실험을 진행하여 그 결과를 측정하고 마지막으로 결론을 제시한다.
- 2% 만을 소모하는 효율성을 확인할 수 있었다. 추후 연구로는 무선통신모듈까지 포함한 IOT 시스템에서 통신량에 따른 전력 소모 효율성을 실험하는 것이 필요하다.
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