[논문]교실의 학습 능률 향상을 위한 상황인지 기반 LED 조명제어시스템

문승미; 권숙연; 임재현

문제 정의

본 논문에서는 과목별 조명 환경 지표 및 스케쥴 정보, 센서를 통한 교사의 위치 및 행위정보를 이용하여 상황에 적합한조명 환경을 제공하는 LED조명제어시스템을 설계 및 구현하였다. 제안한 시스템은 기존의 교실 내 조명 환경을 개선하여 학생의 집중도 향상 및 정서적 안정감을 제공하고 지도 교사의 작업 능률을 향상시키는 등의 다양한 효과를 가져 올 것이다.
이에 본 논문에서는 교실 환경을 대상으로 요일 및 시간, 교과목 종류가 포함된 스케쥴 정보와 상황에 적합한 조명환경지표, 그리고 교사의 위치 및 행위 정보를 기반으로 최적 조명 환경을 제공하는 상황인지기반의 LED조명제어시스템을 개발한다. 제안한 시스템의 성능 평가를 위해 LED 조명장치를 제작하여 교실 환경 테스트베드를 구축하고 각 상황에 따라 교실 내 조명장치의 색온도, 조도를 제어한다.

제안 방법

제어 명령을 수신 받은 Controller는 드라이버를 통해 전류를 조절하여 LED 광원모듈의 색온도, 조도 등을 제어한다. 또한, 모니터링 화면을 통해 스케쥴, 센서에 의해 감지된 수업 상황, 조명 환경 정보 등을 자동으로 출력하고 사용자로부터 조명 환경을 재구성할 수 있도록 수동 모드를 부가적으로 제공한다.
그런 다음, ② 실시간으로 수집된 센서 정보를 이용하여 5가지의 수업 상황을 인지하고 이에 적합한 조도 기준 지표를 검색한다. 마지막으로 ③ LED 조명장치의 RGB 조합에 따라 변화하는 색온도, 조도 등의 정보가 저장된 데이터베이스로부터 ①～②과정을 통해 검색한 색온도 및 조도 정보와 일치하는 RGB 제어 정보를 검색하여 LED Controller를 통해 제어 명령을 송신한다. 제어 명령을 수신 받은 Controller는 드라이버를 통해 전류를 조절하여 LED 광원모듈의 색온도, 조도 등을 제어한다.
그림 4은 본 논문에서 제안하는 상황인지기반의 LED 조명제어시스템의 구성도이다. 본 시스템은 교실 내에서 상황에 적합한 조명환경을 제공하기 위해 먼저 ① 요일 및 시간별로 지정한 교과목 종류에 따라 색온도 기준 지표 정보를 데이터베이스로부터 로드한다. 그런 다음, ② 실시간으로 수집된 센서 정보를 이용하여 5가지의 수업 상황을 인지하고 이에 적합한 조도 기준 지표를 검색한다.
본 연구에서 제안한 시스템 구현을 위해 먼저 교과목의 종류에 따른 최적 색온도 지표에 관한 선행 연구 결과를 적용한다. 결과에 의하면 학습 영역에 따라 예술과목은 2,200~2,600K의 붉은 계열의 색온도, 언어과목은 4,200~4,600K, 수리과목은 7,600~8,000K의 다소 높은 푸른 계열의 색온도가 적합하다.
본 장에서는 제안한 시스템의 구현 및 실험을 위해 프로토타입 형태의 LED조명장치를 제작하고 측정 환경을 구축하였다. 조명장치는 그림 5의 왼쪽 화면과 같이 RGB LED 광원을 20×20의 정사각 배열로 배치하여 스탠드 형태로 제작하였고, 교실 내 조명 환경을 시뮬레이션하기 위해 오른쪽 화면과 같이 9개의 제어 구역으로 구분하였다.
조명장치는 그림 5의 왼쪽 화면과 같이 RGB LED 광원을 20×20의 정사각 배열로 배치하여 스탠드 형태로 제작하였고, 교실 내 조명 환경을 시뮬레이션하기 위해 오른쪽 화면과 같이 9개의 제어 구역으로 구분하였다. 이때 LED 수량을 균등하게 나누기 위해 1행과 20행, 1열과 20번째 열을 제외한 나머지 LED 광원을 대상으로 구분하였다. 이때, 조명장치를 조명환경지표에 적합하게 정밀 제어하기 위해 LED 조명장치의 RGB 좌표에 따라 변화하는 색온도, 조도 정보를 측정하고 데이터베이스에 저장한다.
이때, 각 센서의 On/Off 상태가 표 2의 3가지 조합에 해당되지 않는 경우에는 ‘기본/문제풀이’의 상황으로 정의하여 전체 조명을 400lx로 유지하도록 설계하였으며, ‘휴식’ 상황은 센서정보와 관계없이 스케쥴 테이블에 과목이 설정되지 않은 시간대를 기반으로 전체 조명을 300lx로 제어한다.
이때 LED 수량을 균등하게 나누기 위해 1행과 20행, 1열과 20번째 열을 제외한 나머지 LED 광원을 대상으로 구분하였다. 이때, 조명장치를 조명환경지표에 적합하게 정밀 제어하기 위해 LED 조명장치의 RGB 좌표에 따라 변화하는 색온도, 조도 정보를 측정하고 데이터베이스에 저장한다. 정확한 데이터 측정을 위해 암실 환경 내에서 5초 단위로 조명장치의 Red, Green, Blue 각 광원의 0~255 범위의 값을 각 10씩 증가시키면서 수행하였다.
이때, 조명장치를 조명환경지표에 적합하게 정밀 제어하기 위해 LED 조명장치의 RGB 좌표에 따라 변화하는 색온도, 조도 정보를 측정하고 데이터베이스에 저장한다. 정확한 데이터 측정을 위해 암실 환경 내에서 5초 단위로 조명장치의 Red, Green, Blue 각 광원의 0~255 범위의 값을 각 10씩 증가시키면서 수행하였다. 데이터 측정을 위해 Jaz-ULM-200 모델의 파장측정기와 LXT-401의 조도센서를 활용하였으며, 센서 데이터 수집을 위한 데이터로거는 DaqPro-5300 모델을 이용하였다.
결과에 의하면 학습 영역에 따라 예술과목은 2,200~2,600K의 붉은 계열의 색온도, 언어과목은 4,200~4,600K, 수리과목은 7,600~8,000K의 다소 높은 푸른 계열의 색온도가 적합하다. 제안한 시스템은 이러한 실험결과를 기반으로 하여 총 8 과목과 쉬는 시간으로 구성된 스케쥴 테이블을 입력 데이터로 설계하여 조명 제어 시 활용한다. 표 1은 학습 영역에 따른 각 과목에 적합한 색온도의 값을 나타낸다[5].
이에 본 논문에서는 교실 환경을 대상으로 요일 및 시간, 교과목 종류가 포함된 스케쥴 정보와 상황에 적합한 조명환경지표, 그리고 교사의 위치 및 행위 정보를 기반으로 최적 조명 환경을 제공하는 상황인지기반의 LED조명제어시스템을 개발한다. 제안한 시스템의 성능 평가를 위해 LED 조명장치를 제작하여 교실 환경 테스트베드를 구축하고 각 상황에 따라 교실 내 조명장치의 색온도, 조도를 제어한다.
조명장치는 그림 5의 왼쪽 화면과 같이 RGB LED 광원을 20×20의 정사각 배열로 배치하여 스탠드 형태로 제작하였고, 교실 내 조명 환경을 시뮬레이션하기 위해 오른쪽 화면과 같이 9개의 제어 구역으로 구분하였다.

대상 데이터

정확한 데이터 측정을 위해 암실 환경 내에서 5초 단위로 조명장치의 Red, Green, Blue 각 광원의 0~255 범위의 값을 각 10씩 증가시키면서 수행하였다. 데이터 측정을 위해 Jaz-ULM-200 모델의 파장측정기와 LXT-401의 조도센서를 활용하였으며, 센서 데이터 수집을 위한 데이터로거는 DaqPro-5300 모델을 이용하였다.
두 개의 PIR 센서와 전력 센서로부터 수집한 메시지를 통합 처리하여 표 2에서 정의한 교실 내 현재 상황을 파악하고 이에 적합한 조도 및 과목에 따른 색온도 정보 등을 데이터베이스로부터 검색하여 LED 조명장치를 제어하기 위해 설계한 LED 제어용 송신 메시지 포맷 구조는 그림 2와 같다. 본 실험을 위해 제작한 LED 조명장치는 각 RGB 광원모듈을 개별적으로 제어하거나 통합 제어하기 위해 메시지 형식에 Command(byte) 영역 내 C1 또는 C2의 명령어를 포함한다. 명령어에 따라 통합제어 및 개별제어 여부를 판단하고 통합제어의 경우에는 Data 영역에 각 2byte로 구성된 RGB(6byte) 정보가 입력되며 개별제어는 Col(1byte), Row(1byte) 및 해당 위치의 RGB(6byte) 정보를 포함한다.

성능/효과

본 연구에서 제안한 시스템 구현을 위해 먼저 교과목의 종류에 따른 최적 색온도 지표에 관한 선행 연구 결과를 적용한다. 결과에 의하면 학습 영역에 따라 예술과목은 2,200~2,600K의 붉은 계열의 색온도, 언어과목은 4,200~4,600K, 수리과목은 7,600~8,000K의 다소 높은 푸른 계열의 색온도가 적합하다. 제안한 시스템은 이러한 실험결과를 기반으로 하여 총 8 과목과 쉬는 시간으로 구성된 스케쥴 테이블을 입력 데이터로 설계하여 조명 제어 시 활용한다.

후속연구

향후에는 실제 교실 환경에 제안한 시스템을 설치하여 성능을 평가하고 수강 대상에 따라 적합한 조명 환경에 대한 연구를 진행해야 한다. 또한, 지능형 조명제어시스템의 구현을 위해 센서로부터 수집된 상황 정보에 대한 분류 및 해석 알고리즘 등에 대한 지속적인 연구가 이루어져야 될 것이다.
본 논문에서는 과목별 조명 환경 지표 및 스케쥴 정보, 센서를 통한 교사의 위치 및 행위정보를 이용하여 상황에 적합한조명 환경을 제공하는 LED조명제어시스템을 설계 및 구현하였다. 제안한 시스템은 기존의 교실 내 조명 환경을 개선하여 학생의 집중도 향상 및 정서적 안정감을 제공하고 지도 교사의 작업 능률을 향상시키는 등의 다양한 효과를 가져 올 것이다. 향후에는 실제 교실 환경에 제안한 시스템을 설치하여 성능을 평가하고 수강 대상에 따라 적합한 조명 환경에 대한 연구를 진행해야 한다.
제안한 시스템은 기존의 교실 내 조명 환경을 개선하여 학생의 집중도 향상 및 정서적 안정감을 제공하고 지도 교사의 작업 능률을 향상시키는 등의 다양한 효과를 가져 올 것이다. 향후에는 실제 교실 환경에 제안한 시스템을 설치하여 성능을 평가하고 수강 대상에 따라 적합한 조명 환경에 대한 연구를 진행해야 한다. 또한, 지능형 조명제어시스템의 구현을 위해 센서로부터 수집된 상황 정보에 대한 분류 및 해석 알고리즘 등에 대한 지속적인 연구가 이루어져야 될 것이다.

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