태양광 에너지를 이용한 계통 독립형 이동식 스마트 쉼터 개발
주종율*ㆍ이영재*ㆍ박경욱**ㆍ오재철***
Development of a System-Independent Mobile Smart Shelter using Solar Energy
Jong-Yul Joo
*ㆍYoung-Jae Lee
*ㆍKyoung-Wook Park
**ㆍJae-Chul Oh
**요 약
본 논문에서는 걷기 여행길이나 계통 전원 사용이 어려운 공원, 시골, 행사장, 공사현장 등 다양한 장소에 자유롭게 설치할 수 있는 태양광 에너지 기술을 이용한 계통 독립형 이동식 스마트 쉼터를 제시한다. 제안된 스마트 쉼터는 태양광 발전과 에너지 저장장치를 갖추고 IoT 기술을 접목하여 실내외 온습도, 미세먼지, 여행 객 인지를 실시간으로 수집이 가능하며. 이를 통해 폭염, 한파 상황 및 여행객 유무에 따른 최적의 에너지 운 영을 수행함으로써 효율적으로 에너지 관리가 가능하며, 계통 전원 없이 최대한 장시간 대피소의 역할이 가능 하다.
ABSTRACT
This paper presents a system-independent mobile smart shelter using solar energy technology that can be freely installed in various places, such as parks, countryside, event area, construction area and walking tour places where the system power are difficult to use. The proposed smart shelter is equipped with solar power generation and energy storage devices that is combined with IoT technology to collect indoor and outdoor humidity, fine dust and tourist awareness in real time. It is possible to efficiently manage energy by performing the optimal energy operation during the heat- wave, cold-wave situation and the presence of travelers and it is possible to serve as a shelter for as long as possible without system power.
키워드
Solar Energy, Smart shelter, Smart air conditioning, Smart energy management 태양광 에너지, 스마트 쉼터, 스마트 공조, 스마트 에너지 관리 시스템
* (주)데이스타 연구원([email protected])
* (주)데이스타 연구원([email protected])
** 전남대학교 문화콘텐츠학과([email protected])
*** 교신저자 : 순천대학교 컴퓨터공학과 ㆍ접 수 일 : 2020. 10. 16
ㆍ수정완료일 : 2020. 11. 16 ㆍ게재확정일 : 2020. 12. 15
ㆍReceived : Oct. 16, 2020, Revised : Nov. 16, 2020, Accepted : Dec. 15, 2020 ㆍCorresponding Author : Jae-Chul Oh
Dept. of Computer Engineering, Sunchon National University, Email : [email protected]
Ⅰ. 서 론
최근 건강, 웰빙, 느림의 가치를 지향하는 사회문화
적 변화와 맞물리면서 걷기 여행의 수요가 증가하고
있다. 제주의 올레길과 지리산 둘레길의 성공으로 전
국 각지에 걷기 여행길들이 조성되어 새로운 관광 트
http://dx.doi.org/10.13067/JKIECS.2020.15.6.1061
렌드로 자리 잡고 있으며 지역 경제 및 관광 산업 발 전 수단으로 걷기 여행길 조성이 확대되고 있다[1-3].
이러한 걷기 여행길에는 간단한 의자나 휴게시설만 있어 여행객들이 폭염, 폭우, 한파 등의 기상 이변에 는 대피하거나 쉴 수 있는 시설이 부족한 실정이다.
여행객들이 폭염, 한파 상황에서 휴식을 취하거나 대 피할 수 있는 쉼터(Shelter)의 필요성이 요구되고 있 다.
기존의 쉼터는 임시 구조물로 설치되어 매년 설치 와 철거가 반복되는 문제가 있었으며 비좁은 공간, 개 방형 구조로 인한 미세먼지 등 안전에 취약한 문제를 지니고 있다[4]. 태양광 발전을 보조전원으로 활용하 는 버스 정류장이나 쉼터가 최근 등장했으나 상황에 맞는 에너지 운용을 지원하지 않아 걷기 여행길과 같 이 계통 전원을 사용할 수 없는 지역에서는 적용이 어렵다. 따라서 이러한 지역에서는 계통 독립형 자가 발전으로 외부 환경에 따라 효율적인 에너지 스케줄 링을 지원하는 쉼터가 요구된다.
본 논문에서는 걷기 여행길이나 계통 전원 사용이 어려운 공원, 시골, 행사장, 공사현장 등 다양한 장소 에 자유롭게 설치할 수 있는 신재생에너지를 이용한 계통 독립형 이동식 스마트 쉼터를 제시한다. 제안된 스마트 쉼터는 태양광 발전과 에너지 저장장치를 갖 추고 IoT 기술을 접목하여 실내외 온습도, 미세먼지, 사람 인지 센서 데이터를 실시간으로 수집한다. 이를 통해 폭염, 한파 상황 및 여행객 유무에 따른 최적의 에너지 운영을 수행함으로써 계통 전원 없이 최대한 장시간 대피소의 역할을 한다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 관련 연 구로 기존의 쉼터들에 대해 기술하고, 3장에서는 제안 하는 태양광 에너지를 이용한 계통 독립형 이동식 스 마트 쉼터를 기술하고 마지막 4장에서는 결론을 맺는 다.
Ⅱ. 관련연구
2.1 사물인터넷
사물인터넷(IoT: Internet of Things)은 각종 사물 에 센서와 통신 기능을 내장하여 인터넷에 연결하는 기술 즉, 무선 통신을 통해 각종 사물을 연결하는 기
여기서 사물이란 가전제품, 모바일 장비, 웨어러블 컴퓨터 등 다양한 임베디드 시스템이 된다. 사물인터 넷에 연결되는 사물들은 자신을 구별할 수 있는 유일 한 IP를 가지고 인터넷으로 연결되어야 하며, 외부 환 경으로부터의 데이터 취득을 위해 센서를 내장할 수 있다. 기기를 연결하는 사물인터넷의 본질을 설명하는 개념으로 ‘M2M(Machine-to-Machine)’이라는 신조어 가 통용되는데, M2M은 세 가지 기술을 근간으로 한 다[6-8].
먼저, 네트워킹 기술은 인간과 사물, 서비스 등 분 산된 환경요소들을 서로 연결하는 수 있는 유무선 통 신 시스템으로, 5G/LTE, WiFi, 블루투스, 위성통신 등이 활용되며, 모든 사물의 IP화 개념인 사물인터넷 을 구현하기 위해서는 LTE를 넘어서는 원거리 무선 통신과 근거리 통신을 완벽하게 연결시키는 것이 수 반되어야 한다[9]. 센싱 기술은 온도, 습도, 열, 가스, 조도 및 초음파 등 다양한 센서를 이용하여 원격 감 지, 위치 및 모션 추적 등을 통해 사물과 주위 환경으 로부터 정보를 획득하는 기능이다. 인터페이스 기술은 사물인터넷의 주요 구성요소를 통해 특정 기능을 수 행하는 응용서비스와 연동시키는 역할을 수행한다.
2.2 스마트 쉼터(Smart Shelter)
쉼터(Shelter)란 주거지, 대피소, 피난소, 방공호, 날 씨 등으로부터 몸을 지키기 위한 비바람을 견딜 수 있는 장소를 말한다. 즉, 기상 이변 등과 같은 자연재 해 또는 물리적인 사회적 위기 상황에서 인간을 보호 해주는 건축물을 의미한다[10]. 이러한 기본적인 의미 에서 출발한 쉼터는 사회의 변화 과정을 통해서 다양 한 형태와 의미로 확대되어 왔으며, 최근에는 쉼터는 IoT 기술을 활용하여 사용자 편의를 위한 다양한 기 능을 구축해 놓은 공간인 스마트 쉼터의 연구가 활발 히 진행되고 있다,
스마트 쉼터의 요구되는 주요 기능으로는 깨끗한 공기질, 친환경 그린에너지, 안전 등이 있다. 깨끗한 공기질 제공 기능은 스마트 쉼터 실내․외부의 공기 질 측정, 미세먼지 정보제공 시스템 등을 갖춰 기저 질환자나 어린이, 노약자도 안심하고 이용할 수 있는 쾌적한 환경을 제공하는 것이다.
친환경 그린에너지는 태양광 에너지와 같은 친환경
(a) 넥스트(미국) (b) PHE(영국)
(c) 그늘막(한국) (d) 버스 쉼터(한국) 사용하는 것을 의미한다. 안전 기능은 급작스런 기후
변화에 대응할 수 있는 대피소의 기능뿐만 아니라 CCTV, 비상벨 등을 설치하여 비상 상황 시 대응력을 높일 수 있어야 하며, 어린이, 노약자들을 배려하는 시설들을 설치하여 안전하게 쉼터를 사용할 수 있도 록 기능을 제공하는 것을 의미한다. 이용자 편의 기능 은 냉․난방기, 핸드폰 충전, 와이파이 등의 편의시설 을 제공하여 이용자들이 편하게 쉼터를 이용하는 것 을 의미한다.
2.3 스마트 쉼터 현황
전 세계적으로 기상이변으로 인해 기상으로 인한 피해를 예방하기 위해서 다양한 시설의 설치가 이루 어지고 있으며, 해외시장에서는 무더위 쉼터 및 버스 정류장 등에서 재난을 극복할 수 있는 정책을 펼치고 있다. 기존에 제시된 스마트 쉼터는 그림 1과 같다.
미국에서는 넥스트 버스시스템으로 1996년부터 135개 의 공영 버스 운영기관 및 민간 버스업체에 복지 시 스템을 제공하고 있으며, 버스정류장에 태양광 집열판 과 충전지를 설치해 자체 전역 공급이 가능하도록 LED 표지판을 설치하고 정보를 제공하며 운영 중이 다(그림 1(a)).
영국에서는 폭염 계획(PHE, 2013)이라는 미래 폭 염 증가에 따른 리스크 증가로 인해 발생하는 문제점 들을 해결하는 중장기적으로 전략을 수립하여 단순히 건강 부문뿐만 아니라 폭염에 노출로부터 주요 사회 기반시설 및 국민을 보호하기 위해 도시계획, 에너지, 교통정책 등을 통해 기반 시설을 설치하고 있다(그림 1(b)).
우리나라에서의 스마트 쉼터 현황으로 버스정류장 이나 횡단보도 등에 방풍막, 온열 의자 등 한파 저감 시설 설치도 확대해가고 있으며, 서울시에서 IoT와 태양광 기술을 접목한 스마트 그늘막을 설치 운영 중 이다. 또한, 2019년부터 전국에 다양한 버스 쉼터가 시범 설치하여 운영 중에 있다.
그림 1. 스마트 쉼터 현황 Fig. 1 Smart shelter status
Ⅲ. 태양광 에너지를 이용한 계통 독립형 이동식 스마트 쉼터 개발
본 논문에서 제안하는 태양광 에너지를 이용한 계 통 독립형 이동식 스마트 쉼터는 계통이 없는 공원, 시골, 행사장, 공사현장 등 다양한 장소에서 자유롭게 설치할 수 있는 태양광 에너지를 이용하였으며, IOT 기술을 적용하여 스마트 쉼터를 효율적으로 관리될 수 있도록 그림 2과 같이 구성하였다.
그림 2. 태양광에너지를 이용한 계통 독립형 이동식 스마트 쉼터 구성도
Fig. 2 Configuration diagram of a system-independent
mobile smart shelter using Solar energy
(a) 외형 설계 1 (b) 외형 설계 2 태양광 에너지를 이용한 계통 독립형 이동식 스마 트 쉼터의 전력 생산 및 부하의 사양은 그림 3과 같 다.
그림 3. 태양광 에너지를 이용한 계통 독립형 이동식 스마트 쉼터 사양
Fig. 3 System independent mobile smart shelter using solar energy specifications
3.1 스마트 쉼터 설계 및 제작
계통이 없는 다양한 장소에 자유롭게 설치할 수 있 는 태양광에 에너지를 이용한 계통 독립형 이동식 스 마트 쉼터를 제작하기 위해 그림 4과 같이 외형을 설 계하였다.
스마트 쉼터는 개방감을 위해 투명 소재 소개를 활 용하여 벽면 처리를 하였고 손쉬운 이동과 설치를 고 려한 포터블 한 형태로 구성하도록 하였다.
그림 4. 스마트 쉼터 외형 설계 Fig. 4 Smart appearance shelter design
실제 제작된 스마트 쉼터는 그림 5와 같으며, 스마 트 쉼터의 지붕 부위에 태양광 패널을 설치하였고, BMS(battery management system) 및 Hybrid PCS(Power Conditioning System) 전력 설비들을 설 치하여 태양광 발전을 이용한 전력 공급이 가능하도 록 제작하였다.
그림 5. 스마트 쉼터 Fig. 5 Smart shelter
스마트 쉼터 벽면에는 환풍기, 냉난방기 등의 공조 제어 시스템과 실내․외 온습도 및 미세 먼지를 측정 하는 환경 센서를 설치하여 스마트 쉼터의 쾌적한 환 경이 제공되도록 하였다,
또한, 실내 LED 조명 설치, 실내 온열, 냉․난방기 등 편의시설을 제공하여 이용자들이 편하게 쉼터를 이용할 수 있도록 제작하였고, 스마트 쉼터 내부에 HMI 디스플레이를 설치하여 스마트 쉼터 실내․외부 의 환경 센서 정보와 생활 정보를 제공하여 이용자들 이 실시간으로 스마트 쉼터의 정보를 확인할 수 있도 록 제작되었다.
3.2 스마트 쉼터 공조 및 조명제어 시스템 스마트 쉼터 내의 온열 의자, 냉․난방기, 환풍기로 이루어진 냉온 제어 및 공기 순환하기 위하여 스마트 쉼터 공조 및 조명제어 시스템을 그림 6과 같이 구성 하였다.
스마트 쉼터의 공조 시스템은 온열 의자, 냉난방기, 환풍기로 이루어지며 통합 서버 관리자의 요청에 따 라 냉난방 및 공기 순환 제어를 수행한다.
저 전력 LED를 이용한 스마트 쉼터 조명시스템은
공하고, 통합 서버 관리자의 요청에 따라 수동으로 제 어가 가능토록 하였다. 개발된 스마트 쉼터 공조 및 조명제어 시스템은 그림 7과 같다.
그림 6 스마트 쉼터 공조 및 조명제어 시스템 구성도
Fig. 6 Smart shelter air conditioning and lighting control system configuration diagram
그림 7. 스마트 쉼터 공조 및 조명제어 시스템 Fig. 7 Smart shelter air conditioning and lighting
control system
3.3 스마트 쉼터 환경 모니터링 시스템
스마트 쉼터 환경 모니터링 시스템은 실내․외 온 도, 습도, 조도, 미세 먼지 량을 측정하여 스마트 쉼터 의 실내․외부의 환경정보를 제공하여 이용자들이 실 시간으로 정보를 확인할 수 있도록 스마트 쉼터 환경 모니터링 시스템을 개발하였으며, 그림 8과 같이 구성 하였다.
그림 8. 스마트 쉼터 환경 모니터링 시스템 구성도 Fig. 8 Smart shelter environment monitoring system
configuration diagram
이 시스템은 실내․외부의 온도 값에 따라 에너지 소비를 최소화하도록 공조 제어 시스템의 환풍기 자 동 제어 시스템과 연동하는 통신 인터페이스 기능을 제공하며, 계절에 따라 스마트 쉼터의 실내․외부 온 도, 습도 미세 먼지 량에 따른 환풍기를 자동 제어할 수 있도록 하였다.
또한, 사용자 인지 기능을 제공하여 스마트 쉼터에 사용자의 유무를 판단할 수 있도록 사람을 감지할 수 있는 기능을 제공하도록 하였으며, 개발된 스마트 쉼 터 환경 모니터링 시스템은 그림 9와 같다.
(a)실외 환경 센서 (b)실내 환경 센서 그림 9. 스마트 쉼터 환경 모니터링 센서 모듈 Fig. 9 Smart shelter environment monitoring sensor
module
3.4 스마트 쉼터 에너지관리 및 모니터링시스템
스마트 쉼터 에너지 및 모니터링 시스템은 그림 10
과 같이 구성하였다. 스마트 쉼터의 에너지를 효율적
으로 사용하고 관리하기 위하여 태양광 모듈, PCS,
BMS의 전력 장비들과 연계하여 충․방전, 전력을 제
어하는 PMU(Power Management Unit)를 그림 10과
같이 제작하였으며, 고정밀, 고속의 전력센서, RS485 통신, 이더넷 통신으로 전력 장비들과 연계하였다.
그림 10. 스마트 쉼터 에너지 관리시스템 구성도 Fig. 10 Smart shelter energy management system
configuration diagram
(a) PCS (b) BMS 그림 11. PMU(Power management Unit)
Fig. 11 PMU(Power management Unit) 그림 12(a)는 스마트 쉼터 에너지 관리 시스템의 모 니터링 화면을 나타낸다. 한 화면에 스마트 쉼터의 전 반적인 내용을 파악할 수 있도록 에너지 생산량, 소비 량, 환경 센서 데이터를 표시하며 관리자의 요청에 따 라 전력 장비, 공조 시스템, 조명 시스템을 원격으로 제어할 수 있도록 사용자 인터페이스를 구성하였다.
전력생산 정보와 소비정보인 총 발전량, 총 방전량, 금일, 금월, 금년 방전량 표시하며, PCS의 충전, 방전 상태 및 운전모를 표시하고 PV 입력, Grid 입력, AC 출력, DC 출력의 전압 및 전류 값을 표시한다. 또한, BMS의 충전, 방전 상태를 표시하고 전압, 전류, 온도, 셀 최고/최저 전압, 모듈 최고/최소 온도를 표시한다.
또한 공조 및 조명 시스템의 모니터링을 위해 그림
방기, 온열 의자, 환풍기, LED 조명 제어 상태를 표 시하며 제어할 수 있다. 냉난방기 제어에서는 제어의 설정 온도 값을 입력하여 설정하며, 폭염/냉방, 한파/
난방 등 이상 기후의 상황에 따라 자동으로 실내 온 도를 설정할 수 있도록 구현하였다.
그림 12(b)는 ESS 모니터링 화면을 나타낸다. ESS 모니터링을 통해 태양광의 패널로부터 생산된 전력을 BMS에 충․방전하는 현황을 시간대별 그래프로 보 여주며, 전체의 태양광 발전량, 충전량, 방전량을 표시 하며, 일, 월 형식으로 발전량을 나타낸다.
또한, BMS의 SOC(State of Charge), 전압, 전류 온도, 배터리 셀 전압, 배터리 모듈 온도 등의 상세 데이터를 표시하여 BMS의 이상 유무를 쉽게 파악할 수 있다.
(a)스마트 쉼터 에너지 관리시스템 메인화면
(b) ESS 관리 화면
그림 12. 스마트 쉼터 에너지관리시스템
Fig. 12 Smart shelter energy management system
공조 및 조명제어 시스템의 상세한 설정 및 제어는
그림 13과 같다. 환풍기 제어에서는 수동으로
ON/OFF 하는 기능과 환경 센서 노드에서 전송한
에너지 절감을 위해 실내 환경 센서 내에 탑재된 사용자인지 센서와 실내 온도에 따라 온열 의자의 전 원을 자동으로 제어하며, 실외 환경 센서에 탑재된 조 도센서를 통해 LED조명을 제어할 수 있다.
그림 13. 스마트 쉼터 에너지 관리시스템 제어/센서 모니터링 화면
Fig. 13 Smart shelter energy management system control/sensor monitoring screen
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 전력 연결이 힘든 둘레길, 관광지, 트래킹 길 등에 폭염, 한파, 폭우 등 이상 기후 현상 에 대응할 수 있는 태양광 발전을 이용한 계통 독립 형 이동식 스마트 쉼터를 설계 및 개발하였다.
개발된 스마트 쉼터는 기존의 쉼터의 임시 구조물 로 설치되어 설치와 철거가 반복되는 문제와 비좁은 공간 개방형 구조로 설치되어 미세먼지, 황사 등 안전 에 취약한 문제점을 보완하여 설계하였으며, 계통이 없는 공원, 시골, 행사장, 공사현장 등 다양한 장소에 자유롭게 설치할 수 있는 태양광 발전을 이용한 계통 독립형 이동식 스마트 쉼터로 개발하였다.
또한, IoT 기술을 활용하여 스마트 쉼터 관리시스 템을 구축하여 스마트 쉼터의 에너지를 관리 효율적 으로 사용 가능하고, 스마트 쉼터 실내․외부의 환경 정보 및 생활 정보를 모니터링 할 수 있으며, 스마트 쉼터 에너지 관리 시스템으로 안전하게 에너지를 저 장이 가능하며, 효율적으로 에너지 관리가 가능하다.
감사의 글
본 연구는 과학기술정보통신부와 정보통신산 업진흥원 및 광주정보문화산업진흥원의 "에너지 신산업 SW융합클러스터 조성사업(R&D, ITAS1010170110070001000200200)"으로 수행된 연구결과 입니다.
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오재철(Jae-Chul Oh)
1978년 전북대학교 전기공학과 졸 업(공학사)
1982년 전북대학교 컴퓨터공학과 (공학석사)
1988년 전북대학교 컴퓨터공학과(공학박사) 1984년∼1986년 기전대학교 전자계산학과 전임강사 1986년∼현재 순천대학교 컴퓨터공학과 교수
※ 관심분야 : 임베디드시스템, USN, 네트워크 설계 및 분석
Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 9 no. 12, 2014, pp.1405-1414.
[9] O. Elloumi, J. Song, G. Yacine, C. Victor, and M.
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53, no. 9, 2015, pp.8-9.
[10] G. Go, D. Kim, E. Kim, J. Kim, and Y. Park, Smart Shelter. Seoul: Mijinsa, 2018.
저자 소개
주종율(Jong-Yul Joo)
1999년 한국방송통신대학교 컴퓨터 과학과 졸업(이학사)
2001년 순천대학교 정보과학대학원 컴퓨터과학과 졸업(이학석사) 2015년 순천대학교 대학원 컴퓨터과학과 박사(수료) 2019년 ∼현재 ㈜데이스타 이사
※ 관심분야 : 공장자동화시스템, 사물인터넷, 임베 디드시스템, 센서네트워크
이영재(Young-Jae Lee)
