Development of the LED Street Lamp by using Wired and Wireless Remote Control System

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논문 2014-51-10-31

유무선 원격제어장치를 이용한 LED 가로등 제어 시스템 구현

( Development of the LED Street Lamp by using Wired and Wireless Remote Control System )

박 성 욱^*, 엄 우 용^*^*

( Sung-Wook Park and Woo-Young Ohm

^ⓒ

)

요 약

LED 조명 제어 기술은 LED 조명의 효율적인 관리를 위해 지속적으로 연구되는 분야 중의 하나이다. 본 논문에서는 LED 가로등을 원격으로 제어하기 위해 유무선 통신 기능을 가지는 LED 가로등 원격 제어 장치를 설계하고 구현한다. 구현된 원격 제어 장치는 조도 센서를 이용한 자동 디밍이 가능하고, RS-485/422나 Wi-Fi를 이용하여 LED 가로등을 개별(또는 통합) 제 어가 가능하다. 실험을 통해 개발된 원격 제어 장치의 기능이 정상적으로 동작함을 확인하였다.

Abstract

LED lighting control technique is one of the ongoing research areas for efficient management of LED lighting. In this paper, we design and implementation of LED street lighting remote control system which have a wired and wireless communication function for LED street lighting remote control. The implemented system can automatically dimming and individual(or consolidated) LED street lighting via RS-485/422 or Wi-Fi. In experimental results, the implemented remote control system was satisfactory for all of the desired functions.

Keywords : LED street lighting, remote control, wired and wireless communication, RS-485, Wi-Fi

Ⅰ. 서 론

LED 조명 기술은 LED 고효율을 위한 칩 개발 공정 기술, LED 조명 제어 기술, LED 조명 기기 기술 등으 로 구분할 수 있다. 이중 LED 제어 기술은 현재 활발 히 연구되고 있는 분야이며, LED 조명 제어 기술 또한 지속적으로 연구되고 있는 분야이다^[1]. LED 제어 기술

* 정회원, 인하공업전문대학 디지털전자과 (Dept. of Digital Electronics, Inha Technical College)

※ 이 논문은 2014학년도 인하공업전문대학 교내연구 비지원에 의하여 연구되었음.

접수일자: 2014년08월20일, 수정일자: 2014년08월28일 게재확정: 2014년10월01일

은 현재 RGB LED 모듈레이션 제어 기술과 LED 모듈 간 네트워킹 기술이 있다. 앞으로 융합 기술에 의한 LED 제어 기술과 LED 조명 제어 기술이 새로운 연구 개발 분야가 될 것으로 내다보고 있다.^[2～4]

LED 산업군 중 가장 성장성이 높은 LED 조명 분야 의 경우, 오는 2015년에는 3조 7000억원대의 시장 형성 이 가능하리라 예상되고 있다. LED 조명 중 성장률이 가장 높은 제품은 가로등과 경관 조명등이다. LED 가 로등은 오는 2010년 1040억원, 2015년에는 6810억원으 로 그 수요가 급격히 증가할 것으로 예상되고 있다.^[5～7]

LED 조명 제어 기술에는 유/무선 통신 제어, 자동 센서 감지, TCP/IP 프로토콜, 가로등 감전보호 기술을 이용한 LED 제어 기술, 가로등 감전 보호, 고효율 LED

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그림 1. LED 가로등 원격 제어 장치 블록도 Fig. 1. LED street lighting remote controller block

diagram.

SMPS 설계 기술, LED Dimming 제어 기술, 자동 감지 센서 기술 등이 있으나, 이러한 기술들은 현재 개별 모 듈로 개발되어 출시되고 있으며, 하나의 제품으로 연구, 개발되고 있지는 않다.

현재 상기 기술들을 각 모듈 별로 개발하여 사용하고 있기 때문에 원가 절감이 어렵고, 효율성이 떨어지며 가격이 고가라는 문제점이 있다. 또한 전원 제어 회로, MCU를 이용한 제어, 유무선 통신 제어 기능을 각 모듈 별로 사용함에 따른 가격 경쟁력 하락 및 사용의 불편 함이 존재한다.

본 논문에서는 LED 가로등을 원격으로 제어하기 위 해 유무선 통신 기능을 가지는 LED 가로등 원격 제어 장치를 그림 1과 같이 설계하고 구현한다. 구현된 원격 제어 장치는 조도 센서를 이용한 자동 디밍이 가능하 고, RS-485나 Wi-Fi를 이용하여 LED 가로등을 개별 (또는 통합) 제어가 가능하다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. Ⅱ장에서 기술 개발 을 위한 개발 방법과 개발 내용 및 기능에 관하여 설명 설명한다. Ⅲ장에서 개발된 장치의 성능을 분석하고, Ⅳ 장에서 결론을 기술한다.

Ⅱ. 본 론

2.1

고효율 LED SMPS 개발

SMPS는 Switching Mode Power Supply의 약자로 외부에서 공급되는 교류(AC) 전류를 직류(DC) 전류로 전환(Switching)시킨 후, 각종 전자기기의 조건에 맞는 전압으로 변환시켜 공급하는 장치다.

저 전력으로 구동되는 LED에 있어 SMPS는 필수적 인 장치다. AC LED와 같이 220V AC전력을 그대로 사

수명이 단축될 뿐 아니라, 밝기가 균일하게 유지되지 못하는 결과가 나타난다. 또한 품질이 떨어지는 SMPS 는 자체 수명도 보장되지 않기 때문에 SMPS 교체에 따른 비용도 높게 나타난다.

SMPS의 성능은 설계 방식, 생산과정, 사용된 소재 등 다양한 요인에 의해 결정되지만, 우선적으로 구동 방식에 의한 차이가 가장 크다. SMPS는 구동방식에 따 라 정전압 구동과 정전류 구동, 그리고 정전류·정전압 구동 방식으로 분류된다. 정전압 제품은 전압을 조절해 LED모듈로 유입되는 전류량을 제어하는 방식이며, 정 전류 제품은 전류량을 직접 제어하는 방식이다. 정전압·

정전류의 경우 이 두 가지를 모두 활용한다. LED는 전 류구동 반도체이기 때문에 정전압 방식의 SMPS로는 최적의 성능을 이끌어내기 어렵다. 입력 전압이 높아지 거나, 환경적 요인으로 인해 SMPS의 온도가 상승하게 되면 전류도 함께 상승하게 되는데, 이 때 정전압 제품 에서는 정격 이상의 전류가 LED로 공급될 수 있기 때 문이다. LED에 과잉전류가 유입되면 밝기가 일정하지 않게 되고, LED에 충격이 가서 수명이 줄어들게 된다.

반면 정전류 제품의 경우에는 전류 변동 폭이 미미하기 때문에 한층 안정적인 구동이 가능하다.

본 논문에서 설계한 LED 가로등용 SMPS의 회로는

그림 2. LED SMPS 회로도 Fig. 2. LED SMPS circuit.

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그림 3. LED SMPS Fig. 3. LED SMPS.

그림 2와 같다.

본 논문에서 개발한 LED SMPS는 개선된 단일 PFC(역률 제어) 및 LLC(공진) 컨트롤러로 정확한 정전 류(CC) 출력을 갖도록 설계하였다. 또한 회로 단락을 막기 위한 auto-restart 회로를 보강하여 회로 보호 기 능을 갖도록 하였으며, 오픈 회로에서의 고장 감지 모 드 기능을 갖는 보호 회로를 설계하였다. 히스테리시스 (Hysteresls)를 갖는 자동 Thermal-Shutdown Restart 기능이 있으며, 역률 0.99%, 효율 95%로 개선하였다.

그리고 원격 ON/OFF 회로에서 대기 전력을 230Vac에 서 50mW 이하로 설계하여 에너지 효율성을 높였다. 전 류 제한 회로는 파워 MOSFET의 전류를 감지하여 이 전류가 내부 기준값을 초과하면 파워 MOSFET가 남은 사이클 동안 OFF 상태가 된 후 잠시 동안 전류 제한 비교기를 동작시키지 않고, 파워 MOSFET 전도성의 조기 종료를 방지하도록 리딩 에지 블랭킹(LEB, Leading-edge blanking) 시간을 설정하여 과전류를 보 호하도록 설계하였다. 그림 2의 회로를 기반으로 개발 된 LED SMPS는 그림 3과 같다.

2.2 감전 보호 및 전원 개폐 회로

가로등은 기본적으로 점·소등 정도의 기능만 가지고 있으며, 안전장치로는 누전 차단기 정도에 그치고 있다.

이 누전 차단기는 밤중에 가로등을 켰을 경우에만 동작 하며, 실제로는 누전될 경우에만 작동된다. 누전 차단기 가 작동하는 순간 전기 공급은 일시에 중단되며, 해당 구간의 모든 가로등은 동시에 꺼져버린다. 따라서 밤거 리가 종전보다 어두워질 경우 교통사고나 범죄 발생률 이 높아질 수 있다는 문제점이 발생한다.

본 논문에서는 외부 물기 유입으로 인한 고장 및 오

그림 4. 감전 보호 및 전원 개폐 회로

Fig. 4. Protections against electric-shock and power on/off.

그림 5. 개발된 감전 보호 및 전원 개폐 장치

Fig. 5. Protections against electric-shock and power on/off device.

동작이나, 높은 습도에 의한 누전 및 그 이외의 원인으 로 인한 오동작을 제거하고, 설치 및 유지보수의 편리 성을 위해 감전 보호 기능을 내장한 자동 누전 차단 장 치 기능을 LED SMPS 보드에 통합 설계하였다. 기존 의 고가의 모듈을 따로 설치하는 것 보다 원가를 절감 할 수 있으며, 제작 단가를 낮출 수 있다는 장점을 가진 다. 그림 4는 감전 보호 및 전원 개폐 회로를 나타내며, 그림 5는 그림 4의 회로를 기반으로 제작된 감전 보호 및 전원 개폐 장치이다.

2.3 LED 등기구 및 DC Dimming

조명 제어 기술에서 현재 단순 ON/OFF 기능만 가지 는 LED 조명의 문제점을 개선하기 위하여 유선 점/소 등 방식, 유선 Dimming 방식, 무선 Dimming 방식 등 다양한 지능형 절전 시스템이 개발되어 사용되고 있다.

유선 점/소등 방식의 경우 배선 공사 및 분전함 설치

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능과 가격차가 크며, LED 등기구, Dimming 컨버터, 센 서 각각의 배선 작업으로 작업성의 효율성이 저하되는 단점이 있다.

현재 사용되고 있는 조명 시설, LED 그리고 지능형 절전 시스템의 문제점을 개선하고자, 본 논문에서는 내 장된 LED Dimming System을 활용한 LED 조명 일체 형 가로등 등기구를 개발하였다. 이것을 위해 정전류용 Dimming 기능 포함되어 있는 LED 드라이버 DW8501 을 사용하여 수동, 자동 Dimming이 가능하도록 설계하 였다.

LED 등기구에는 10W급 LED Chip(LM80)을 사용하 여 출력 전력 180W, 광효율 84, 연색성 83의 고효율로 효율을 20% 증대시킬 수 있도록 하였다. 본 연구에 사 용된 LED Chip은 전력 소모가 적고, 눈부심이 없으며 빛의 광속이 일률적이다. 또한 측면으로 60도까지 광도 가 커버된다. LM80 Data를 종합했을 때 약 9만 시간의 L70(조도가 초기의 70%가 되는 수명)를 갖고 있다. 그 리고 가로등에 조도 센서를 설치하여 주위 밝기에 따라 자동으로 LED 가로등의 밝기를 제어할 수 있도록 하였 으며, 자동 또는 수동으로 Dimming 제어가 가능하도록

그림 6. LED 모듈 회로도 Fig. 6. LED module circuit.

그림 7. LED 등기구

Fig. 7. LED street lighti housing.

설계하였다. 그림 6은 LED 모듈 회로도를 나타내며, 그 림 7은 LED 모듈을 사용한 LED 등기구이다.

2.4 LED 가로등 제어 보드

LED 가로등의 Wi-Fi, RS-422/485를 이용한 유무선 제어 기능과 자동 Dimming등의 시스템 제어를 위해 LED 가로등 등기구 내부에 설치할 수 있는 LED 가로 등 제어 보드를 개발하였다. 제어 보드에 사용된 MPU 는 ARM사의 Cortex-M3 아키텍쳐를 사용한 32bit STM32 MPU를 사용하였다. STM32는 뛰어난 주변 I/O를 가지고 있으며, 저전력/저전압 성능과 주변 장치 의 통합 기능이 매우 우수하다. 또한 쉬운 개발 환경과

그림 8. STM32 dimming 제어 회로도 Fig. 8. STM32 dimming control circuit.

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그림 9. STM32 RS-422/485 회로도 Fig. 9. STM32 RS-422/485 circuit.

그림 10. LED 가로등 제어 보드 Fig. 10. LED street light control board.

핀투핀, 주변 I/O와 소프트웨어 호환성을 제공한다. 그 림 8, 9는 STM32를 사용하여 설계한 LED 가로등 제어 보드 중 Dimming 제어 회로와 RS-422/485 회로를 보 여준다.

설계한 LED 가로등 제어 보드의 주요 기능은 Wi-Fi 나 RS-422/485로 연결된 PC와의 통신을 통해 LED 가 로등의 전원 개폐, Dimming 제어 및 Dimming 제어의 자동/수정 설정 기능을 수행한다. 모든 기능은 LED 가 로등 별로 개별제어가 가능하며, 연결된 다수의 LED 가로등의 통합제어도 가능하다. 그림 10은 회로를 기반 으로 제작된 LED 가로등 제어 보드를 나타낸다.

Ⅲ. 실 험

개발된 STM32 LED 가로등 제어 시스템의 프로그램 을 위해 ARM Cortex-M3 개발 프로그램인 Ride7에 C 언어를 이용하여 프로그램 하였다. 그림 11, 12는 STM32 LED 가로등 제어 시스템의 개발 환경과 Ride7 개발 프로그램을 보여준다.

그림 11. LED 가로등 제어 시스템 프로그램 개발 Fig. 11. LED street light control board programming.

그림 12. LED 가로등 제어 시스템 프로그램 개발 Fig. 12. LED street light control board programming.

그림 13. RS-422/485 유선 통신 프로그램

Fig. 13. RS-422/485 serial communication program.

LED 가로등 내에 설치된 제어 보드와의 RS-422/485 나 Wi-Fi 통신을 통해 LED 가로등을 PC에서 원격으 로 제어하기 위해, Microsoft VC++을 프로그램을 사용

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그림 14. Wi-Fi 무선 통신 프로그램

Fig. 14. Wi-Fi wireless communication program.

하여 개발하였다. 그림 13은 RS-422/485 유선 통신을 이용한 제어 프로그램을 보여준다.

그림 13의 개발된 프로그램은 RS485/422 시리얼 통 신을 위한 통신 포트 설정 메뉴와 통신 속도 설정메뉴 가 있으며, LED 가로등 조명 On/Off 설정 및 자동 디 밍을 위한 조도 센서 설정 그리고 자동 디밍의 자동/수 동 설정 메뉴를 포함하고 있다.

개발된 프로그램을 이용하여 실험한 결과 RS-422/485를 사용할 경우 9600bps 통신 속도를 사용 할 경우 최대 1.2km 까지 거리에 있는 LED 가로등을 통합 제어할 수 있었으며, 2400bps 통신 속도를 사용할 경우에는 최대 5km 까지 거리에 있는 LED 가로등을 통합 제어할 수 있었다.

그림 14의 프로그램은 IEEE 802.11b/g Wi-Fi 무선 통신을 이용한 LED 가로등 제어 프로그램을 나타낸다.

무선 통신 프로그램은 LED 가로등의 IP 설정을 위한 메뉴와 TCP 포트 설정 메뉴를 가지고 있으며, 나머지 제어 기능 설정은 유선 통신 설정 메뉴와 동일하다.

그림 14의 무선 통신 프로그램은 IP 설정을 통해 500 개까지의 LED 가로등을 통합 또는 개별 제어를 할 수 있으며, Wi-Fi 통신을 사용할 경우 최대 거리 5km까지 LED 가로등을 통합 제어할 수 있었다.

그림 15는 개발된 제어 장치와 유무선 통신 프로그램 을 이용하여 실험한 환경을 나타낸다. 실험을 통해 개 발된 제어 시스템과 프로그램이 설정된 거리 내에서 정 확하게 동작함을 확인 할 수 있었으며, 무선 제어의 경 우 별도의 리피터 장치를 이용하여 제어 거리를 확장 시켰다.

(a) 유선 통신 실험 환경

(b) 무선 통신 실험 환경 그림 15. 통신 프로그램 실험 환경

Fig. 15. Environment of communication program experiment.

그림 15와 같은 실험 환경에서 각 거리마다 설치된 LED 가로등의 전원 On/Off, 조도 센서 작동, LED 자 동/수동 디밍 동작 등을 기존 방법^[8]과 비교 실험하였 으며, 실험 결과를 표 1에 나타내었다.

표 1의 실험 결과와 같이 시리얼 유선 통신의 경우 모든 거리에 대해서 기능이 정확하게 동작하였다. 그러 나 Wi-Fi 무선 통신은 실외 환경에서 300m가 넘을 경 우 연결이 불안정하여 별도의 리피터를 300m 거리마다 하나씩 설치하여 문제를 해결하였다. 기존 Zigbee 통신 방식을 사용할 경우 네크워크 구성의 용이함이나 소비 전력이 낮다는 등의 장점은 있으나, 실험 결과와 같이 Zigbee 통신 거리의 한계가 있기 때문에 제어 거리를 확장하기 위해서는 Zigbee 라우터 등의 부가 장비가 필 요하다.

표 2는 일반적인 가로등 설치 환경인 LOS(Line of Sight)가 확보된 상태에서 측정된 무선 모듈의 RSSI(Received Signal. Strength Indication), LQ(Link Quality), 수신 감도를 나타낸다. RSSI와 LQ는 신호 세

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실험 항목

거리 (Km)

유선통신 (RS-422/485)

무선통신 (Wi-Fi)

기존방법 (Zigbee)

전원 제어

0.1 성공 성공 성공

0.5 성공 성공* 실패

1 성공 성공* 실패

조도 센서 설정

수동 디밍 설정

자동 디밍 설정

* 리피터 사용

표 1. 통신 프로그램 실험 결과

Table 1. Communication program test result.

항목 거리(m) 가로등1 가로등2 가로등3

RSSI

100 -53 -57 -55

200 -65 -69 -65

300 -65 -69 -65

500 fail fail -69

LQ

100 100 100 100

200 76 76 76

300 68 79 78

500 fail fail fail

수신감도

100 40 37 47

200 20 15 67

300 17 22 25

500 fail fail 17

표 2. 통신 프로그램 실험 결과

Table 2. Communication program test result.

기를 표시하며, LQ가 255에 가깝고 RSSI가 0에 가까울 수록 수신 감도가 100에 가까울수록 연결이 원활하다는 것을 의미한다. 실험 결과와 같이 LOS가 확보된 환경 에서 500m가 넘어갈 경우 연결이 불안정 하다는 것을 알 수 있다.

Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 LED 가로등을 원격으로 제어하기 위 해 유무선 통신 기능을 가지는 LED 가로등 원격 제어 장치를 설계하고 구현하였다.

본 연구를 통해 PFC 및 LLC(공진) 컨트롤러로 정확 한 정전류(CC) 출력회로를 갖는 LED SMPS를 개발하 였으며, 개발된 LED SMPS는 회로 보호 기능과 고장 감지기능을 갖도록 설계하였다. 그리고 과전류 보호 기 능과 역률 0.99%과 효율 95%로 개선하여 에너지 절약 에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

또한 LED 가로등을 통합 관리 및 제어하기 위해 ARM 32Bit 코어와, 72MHz 속도를 갖는 통합 제어보 드를 개발하였으며, RS-485/422 및 Wi-Fi 유/무선 통 신망을 통해 최대 5km 범위에서 각 가로등을 통합 제 어할 수 있도록 프로그램 및 프로토콜을 개발하였다.

본 기술개발을 통해 스마트 그리드 사업 및 통신과 융합하여 각각의 산업에 시너지 효과를 줄 수 있고, 시 스템 에어컨, 홈 조명 네트워크, 빌딩 제어 시스템 등의 제어 모니터링에 적용하여 전력절감 솔루션 개발과 그 용용 제품 개발에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

REFERENCES

[1] D. S. Kim, S. H. Chai , “A Study on LED Light Dimming using Power Device”, Journal of The Institute of Electronics and Information Engineers, Vol.51, No.7, pp.89-95, 2014.

[2] B. M. Jung, “Design Issues for LED Lighting Applications”, The Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol.20, No.1, pp.31-37, 2006.

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[4] M. S. Kim, “Applications and market analysis of High-Brightness LED”, Korea Information Society Development Institute, pp.70-72, 2003.2 [5] J. Bullough, “Optimizing the Design and Use of

LED for Visually Critical Application- Comparison of Traffic Signal Requirements”, Lighting Research Center, 1998.

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[7] H. M. Yoo, J. W. Choi and S. H. Choi, “Power Quality Measurement for LED-based Green Energy Lighting Systems”, Journal of The

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저 자 소 개 박 성 욱(정회원)

대한전자공학회 논문지 제45권 IE편 4호 참조

엄 우 용(평생회원) 대한전자공학회 논문지 제47권 IE편 1호 참조