STEAM R&E 연구결과보고서

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STEAM R&E 연구결과보고서

(에너지 절약 신호등으로 친환경 학교 만들기 )

2016. 11. 30.

창원과학고등학교

< 연구 결과요약 >

과 제 명 에너지 절약 신호등으로 친환경 학교 만들기

연구목표

교내 에너지 상태를 표시할 수 있는 에너지 절약 신호등을 제작하여 학교에 서 낭비되는 에너지를 줄이고 학생들에게 에너지 절약 정신을 고취하여 친환경 학교를 만드는 것이다.

연구내용

○ 초기 에너지 절약 신호등 구상 – 교실에서 사람의 움직임을 인체감지 센서가 감지하고, 비접촉식 전류센서로 선풍기 및 에어컨의 작동여부를, 광센서를 통해 전등의 작동여부를 감지하고 그 감지한 값을 아두이노에 전달한다. 그 값에 따라 아두이노가 릴레이를 제어하여 에너지 절약 신호등 의 3개의 표시등을 통해 교실의 에너지 상태를 외부에 표시하도록 한다.

○ 초기 에너지 절약 신호등 문제점 파악 – 센서들과 여러 부가적인 디바이스 들을 배선하는 과정에서 경제적인 손실이 발생하고 전선이 과다 사용되어 전압 강하를 초래한다. 그리고 교내 에어컨의 작동여부를 비접촉식 전류센 서로 감지하기는 어려우며, 3개의 표시등의 가시성이 낮다는 문제점이 있다.

그러므로 보다 간단하고 경제적인 회로가 필요하다.

○ 에너지 절약 신호등(version.2) 구상 및 제작 – 표시등을 네오픽셀링 하나 로 줄여 가시성을 높인다. 센서는 인체감지 센서만을 사용하여 일정시간 인체 미감지시 빈 교실의 선풍기, 형광등을 자동으로 소등하고, 외부 표시등 에 불이 들어오게 하여 학생들로 하여금 완벽한 에너지 절약을 유도한다.

더불어 스위치가 켜진 상태에서 인체가 감지되면 자동으로 점등이 되게 하는 메카니즘을 구성한다.

○ 전력량 측정 및 예상 전력량 구하기 – 에너지 절약 신호등 설치 전후의 전력량을 비교하기 위해서 각각 2주 동안 세 시범교실의 전력량을 ‘스마트 전력량 제어 측정기 SEM3000’을 사용하여 측정한다. 그리고 교실의 전등 과 선풍기의 전력, 개수를 조사하고 각 교실의 시간표를 적용시켜 요일마다 예상되는 전력량을 구한다. 추후에 실제 전력량과 예상 전력량의 차이를 이용하여 에너지 낭비량을 구해보고 비교한다.

○ 에너지 절약 신호등 홍보 - 제작된 에너지 신호등을 활용하여 에너지를 더욱 효과적으로 절약할 수 있도록 교내 게시판과 에너지 절약 신호등 아래

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에 우리학교 에너지 낭비사례의 심각성과 감성적인 시를 패러디한 홍보물을 부착한다.

○ 예상 전력량에 따른 에너지 낭비량 분석 - 시범기간 전후의 예상 전력량이 다를 수 있으므로 각각의 시간표에 맞게 예상 전력량을 구한다. 쉬는 시간, 동아리 활동과 같이 항상 정규 시간표대로 교실이 운영되지 않는 경우가 있고, 전자제품의 대기전력도 존재함으로 이를 고려하여 정확한 예상전력량 을 구한다. 신호등 설치 전후의 전력량을 SEM3000을 통해 실시간으로 확인 하고 누적된 데이터를 얻는다. 예상 전력량과 실제 측정된 전력량을 겹쳐서 요일에 따른 전력량을 그래프로 나타내고 실제 전력량이 예상 전력량을 넘겼을 경우를 에너지 낭비가 일어난 경우로 보고 에너지 낭비량을 구한다.

신호등 설치 전후의 에너지 낭비량을 비교한다.

연구성과

○ 신호등 설치 전후의 에너지 낭비량을 비교해보니 신호등 설치 후 약 낭비되는 10,000(Wh)의 전력량을 줄일 수 있었다. 에너지 절약을 통해 최근 문제가 되고 있는 전력 수급 위기상황과 같은 에너지 부족문제 완화에 이바 지 할 수 있고 경제적인 측면에서도 도움이 된다.

○ 에너지 절약 신호등을 통해 불필요한 에너지가 낭비됨을 가시적으로 표현함으로써 학생들에게 에너지 절약에 대한 인식을 길러 줄 수 있고, 학생들이 자발적으로 전원을 차단하여 일상생활에서 에너지 절약을 직접 실천 할 수 있도록 도와줌으로써 궁극적으로 친환경 학교를 만들 수 있을 것이다.

○ 학생들을 위한 아두이노를 이용한 전기회로 교육 자료, 환경 교육 자료로 써의 가치를 가질 것으로 기대된다.

주요어 (Key words)

에너지 절약 신호등, 친환경 학교, 인체감지 센서, 아두이노, 네오픽셀링, 전력량 제어 측정기(SEM3000), 예상 전력량, 에너지 낭비량

< 연구 결과보고서 >

1. 개요

가. 연구목적

작년과 더불어 올해도 대한민국은 염제가 함께 하였다. 무더위로 인한 전력량 증가로 전력대란 이 일어날 수 있다는 초조함이 늘 우리 곁에 있었고, 불합리한 전기요금 누진세로 인한 해프닝도 있었다. 우리 생활과 밀접한 관련이 있는 전력량 증가의 원인은 학교에서도 쉽게 찾아볼 수 있었다. 빈 교실에서 낭비되는 전기 에너지는 경제적 손실뿐만 아니라 과열로 인한 안전사고로 이어질 수도 있다. 다음과 같은 문제들을 교내에서 해결하기 위해 불필요하게 낭비되고 있는 에너지 실태를 알아보고 불필요한 에너지 낭비를 줄이기 위한 장치를 고안해 보기로 하였다.

자동으로 점등 및 소등이 가능하며 교실의 에너지 상태를 신호등의 형태로 외부에 표시할 수 있게 한다. 그렇게 실시간으로 교실에서 불필요하게 낭비되는 에너지를 외부로 표시하여 사람들 에게 경각심을 불러일으키고 직접 소등을 하게 만든다. 이로써 에너지 낭비로 인한 안전사고를 예방할 수 있고 에너지 절약을 능동적으로 실천하는 효율적인 에너지 소비 구조를 구축한 친환경 학교를 만든다.

나. 연구범위 1) 전력공학

전력공학은 전기의 발생, 송전, 배전 등에 관한 기술에 관련된 내용을 연구하는 전기공학 한 분야이며, 전기의 발생에 관한 발전공학, 전력의 수송에 관한 송배전공학, 그리고 전력계통망에 관한 기술을 다루는 전력계통공학으로 세분화된다.

2) 스마트 그리드

스마트그리드(Smart Grid)는 자동검침 기능이 있는 스마트계량기를 말한다. 이는 기존의 전력망 에 정보·통신 기술을 접목하여, 공급자와 수요자 간의 양방향으로 실시간 정보를 교환함으로써 지능형 수요관리, 신재생에너지 연계, 전기차 충전 등을 가능하게 하는 차세대 전력 인프라 시스템 을 말한다.

최근 들어 온실가스 배출에 따른 기후변화에 대응하기 위하여 화석연료를 사용하는 대신 풍력발 전, 조력발전, 태양에너지발전 등이 등장하게 되었고 이에 따라 기존의 전력망에 이러한 발전 시설이 연계되면서 스마트그리드의 필요성은 더욱 대두하게 되었다. 따라서 스마트그리드 방식은 기후변화에 대한 대응을 하기 위해 온실가스 배출을 줄이며, 에너지 효율을 향상시키는 효과를 가져올 수 있어 각국에서 국가적인 차원에서 추진하고 있다.

스마트그리드의 구현을 위한 기술들은 여러 산업분야에 걸쳐있는데, 그중에서 전력공학에 연관 된 부분들은 신재생에너지발전, 분산형 발전설비, 지능형 전력망을 구성하기 위한 계측 및 통신방 법, 전력망의 효율적 제어 등을 중심으로 활발하게 연구가 진행되고 있다. 또한 기존의 중전기기와

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IT 기술이 융합된 제품들에 대한 연구와 개발이 진행되고 있다.

3) 인체감지 모듈

인체감지 모듈은 사람의 유, 무를 판정하여 이를 신호의 형태로 기계에 전달하여 디바이스들의 동작을 제어어하는 역할을 수행하는 센서의 일종이다. 인체감지 모듈은 인체에서 발생하는 적외 선을 감지하여 인체의 유, 무를 판정하여 적외선 감지 센서를 탑재하고 있다. 적외선을 검출하여 소정의 전기적 신호를 발생시키는 것으로 광자형과 열형으로 분류된다. 사업용 장비 및 가정용 자동화 기구와 보안용 기구 등에 사용되어 그것들을 제어하는 유닛으로 산업과 생활의 편리함을 제공하고 있다. 에너지 절감의 필요성이 절실하게 제시됨에 따라 인체감지 모듈을 조명기구에 적용하는 시도가 늘고 있다.

2. 연구 수행 내용

가. 이론적 배경 1) 전력

단위시간 동안 전기장치에 공급되는 전기에너지, 또는 단위시간 동안 다른 형태의 에너지로 변환되는 전기에너지를 말한다. 단위는 와트(), 킬로와트()를 사용하며, 1는 1 의 전류가 1 의 전압이 걸린 곳을 흐를 때 소비되는 전력의 크기다.

전력( )과 전압( ), 전류()의 관계는 ∙ 를 만족한다. 이는 옴의 법칙(∙)에 따라

^∙ 로 변형할 수 있다 전력은 전류가 일정할 때 저항에 비례함을 알 수 있다. 또는 ^ 로 변형하여 전압이 일정할 때에는 전력에 저항에 반비례함을 알 수 있다.

실생활에서는 단위시간에 사용하는 전기에너지인 전력보다 일정시간 동안 사용한 전체 전기에 너지의 양이 중요하다. 그러므로 전력에 사용시간을 곱한 전력량을 주로 사용한다. 전기요금은 전력량에 따라 부과된다.

2) 전력량

일정시간 동안 전류가 행한 일 또는 공급되는 전기에너지의 총량을 말한다. 전력량은 전력과 시간의 곱으로 계산할 수 있다. 전력은 전압과 전류의 곱이므로, 전압이 V, 전류가 I, 사용시간이 t일 때 소비되는 전력량은 V·I·t이다.

전력량의 단위로는 와트시(), 킬로와트시()를 사용한다. 전력량의 경우 초 단위보다는 시간 단위로 사용하는 경우가 많아 와트시()를 더 많이 사용한다.

전기요금은 전력량을 기준으로 하는데, 전력량에 정비례하지는 않는다. 그 이유는 사용한 전력량 이 많을수록 단위전력량당 요금이 증가하는 누진제가 적용되기 때문이다.

3) 전압강하

전압강하란 전류가 각 저항(R)을 지나면서 옴의 법칙(V=IR)만큼 전압이 작아지는 현상을 말한

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다. 저항에 의해 최대 허용전압이 강하되면 전압에 손실이 생기며 이는 전력소모량 증가로 이어져 전기요금이 더 많이 부과된다.

4) 릴레이 회로의 구성

장치의 제어뿐만 아니라 회로의 보호를 위해 릴레이 회로를 구성한다. 릴레이란 미리 설정해 둔 전기량에 대응하여, 전기적 입력의 유무를 식별하여 다른 전기회로의 개폐를 제어하는 기기를 말한다. 릴레이 모듈(총 8개 릴레이) 회로 1개는 포토커플러, 프리휠링 다이오드, 릴레이 코일을 포함하고 있다.

가) 포토커플러

발광다이오드+포토다이오드가 조합된 소자이다. 이 장치는 [전기→빛→전기]로 신호를 전달하 는 역할이고, 사용하는 이유는 전기적 절연하기 위해서이다. 여기서 말하는 절연이란 아두이노 입출력 핀-릴레이 사이를 전기적으로 분리시켜 놓음으로써 포토커플러의 한쪽에 순간적인 사고 로 큰 전류가 흐르더라도 반대쪽 단자에는 전달되지 않게 막는 것이다.

나) 프리휠링 다이오드

인덕터(전류의 변화량에 비례해 전압을 유도하는 코일) 충전전류로 인한 기기의 손상을 방지하 기 위해 부하와 병렬로 연결하여 루프를 만들어 에너지 소비시킨다. 이 다이오드는 코일이 switch-off 될 때 발생하는 역 기전력을 약 0.7V로 억제한다.

나. 관련 선행연구 조사

1) 인체감지를 이용한 에너지 절약형 냉방 및 난방장치 [키프리스 – 출원 번호(일자) : 1020130148041(2013.11.29.)]

<그림1> 선행연구1020130148041의 도면

인체감지를 이용한 에너지 절약형 냉방 및 난방장치에 대한 연구가 2013년 11월 29일부터 있었다. 이 연구는 냉방 및 난방장치 옆에 인체 감지 센서를 설치 한 후 일정 시간동안 사람의 움직임이 없을 때 절전모드나 전원을 차단하도록 하여 전기 에너지를 절약하는 것에 목적을

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두고 있었다.

2) 인체감지 에너지 절약형 자동 조명장치

[키프리스 – 출원 번호(일자) : 2019950025701(1995.09.21.)]

<그림2> 선행연구 2019950025701의 도면

인체감지 에너지 절약형 자동 조명장치에 대한 발명이 1995년 9월 21일에 있었는데 이 연구는 사람의 유무에 따라 자동으로 점등 및 소등이 되며, 필요에 의하여 주변의 밝기에 따라 자동으로 미등을 점멸시킬 수 있으며 가변저항을 사용하여 조도를 자유롭게 조절할 수 있는 연구였다.

3) 선행연구와의 차별성

이 두 연구를 바탕으로 냉난방기와 전등 모두 제어할 수 있는 제품을 만들 것이다. 또한 에너지 낭비를 줄이기 위해 차단기를 사용하여 전원을 자동으로 끄는 방법도 있지만 에너지 낭비에 대한 경각심을 불러일으키고자 에너지가 낭비가 되고 있다는 것을 교실 밖에 표시하여 절전을 유도하는 장치를 설치할 것이다. 제작된 에너지 절약 신호등을 통해 학생들이 자발적으로 절약을 실천할 수 있다는 점이 우리 연구의 특징 중 하나이다. 그리고 본 장치를 직접 교내에 시범 운영함으로써 운영 전후의 월별 전기 사용량을 직접 비교해보고 문제점을 찾아 더 나은 개선 방안을 찾아낼 것이다.

다. 연구 방법

1) 에너지 절약 신호등 (version.1) 구상

에너지 절약 신호등 version 1은 크게 사람표시등, 선풍기-에어컨표시등, 전원표시등으로 나뉜다. 내부등을 다른 색깔의 LED전구를 사용하여 표시한다. 에너지 절약신호등은 교실내의 전력사용을 센서로 인식한 뒤, 각각의 표시등에 전원을 들어오게 한다. 그러면 밖에서 신호등을 보고 교실 내부의 전기 사용 실태를 알 수 있게 한다. 그리하여 교실 밖에서도 표시등을 보고 교실내부의 에너지 상태를 파악할 수 있게 하여 절전 유도를 효과적으로 할 수 있게 한다.

가) 인체감지센서(PIR)와 사람표시등 연결

인체감지센서를 적당한 위치에 설치하고 인체감지센서를 아두이노에 연결하여 시범 작동을 해본다. 그렇게 가장 효율적인 위치에 인체감지센서를 설치 후 아두이노에서 인식되면 에너지

절약 신호등의 사람표시등에 불이 들어오게 한다.

나) 비접촉식 전류센서와 선풍기-에어컨표시등 연결

비접촉식 전류센서를 전선에 끼워서 전선에 흐르는 전류의 양을 측정하여 전동의 스위치와 에어컨의 전원버튼에 작동 여부를 확인 한다. 이것을 아두이노에 연결하여 작동여부를 판단 후 필요하지 않은 경우에 선풍기, 에어컨 등 불필요한 전자 제품의 사용이 인지될 시에 선풍기-에 어컨표시등에 불이 들어오게 한다.

다) 광센서 또는 비접촉식 전류센서와 전원표시등 연결

광센서를 형광등 밑에 설치 후, 아두이노에 연결하여 점등의 유무를 판단한다. 광센서는 감지 대상의 빛을 이용한 방식으로 온도 및 습도 등에 영향을 받지 않고 비접촉 센서 이다. 그래서 파손될 일이 적고, 검출 대상에 손상을 입히지 않는다.

<그림3> 인체감지센서 <그림5> 광센서 <그림4> 비접촉식 전류센서

라) 에너지 절약 신호등 (version.1)의 문제점 모색 및 개선 방안

본 장치제작계획에 앞서 여러 조건 및 가능성을 선생님 및 팀원들과 토의를 해보고 교내 행정실 주무관님의 조언을 받아 자체적으로 에너지 절약 신호등의 문제점을 파악해보았다.

첫째, 교내 에어컨은 가정용과 달리 천장에 부착된 형태로 에어컨의 작동여부를 감지하기 위해 비접촉식 전류센서를 설치하려면 천장을 뜯어내야 하는 큰 작업이 필요했고 교내 시설 훼손 정도가 너무 커 실행하기 힘들었다.

둘째, 센서들과 표시등이 전력을 쓰기 위하여 전선을 끌어 장치하고 여러 가지 디바이스들을 전선으로 연결하기에는 너무 많다. 전선이 길어질수록 전압강하로 인해 전류가 약해지고 전력소 모가 커진다. 불필요한 디바이스들을 줄일 필요가 있다.

셋째, 인체감지센서, 비접촉식 전류센서, 광센서, 릴레이 등과 더불어 이를 통제하기 위한 디바 이스가 너무 많이 필요하다. 최소한의 재료만으로 교실의 에너지 상태를 표현할 수 있게 하여 경제성을 높일 필요가 있다.

넷째, 일반적인 LED한 두 개를 표시등으로 사용하면 불빛이 약하고 멀리서 식별이 어렵다.

경제적이고 가시성이 높은 디바이스를 표시등으로 사용할 필요가 있다.

다섯째, 상태표시등이 3개라 언제 에너지가 낭비되고 있는 상황인지 한 번에 상태를 파악하기 어렵고 이 표시등 또한 전력을 소모한다.

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→ 문제점을 정리하여 우리는 보다 간단하고 전력소모를 줄일 수 있는 진정한 에너지 절약 신호등 이 필요하였다.

2) 에너지 절약 신호등(version.2) 구상

위의 제품의 문제점을 해결해줄 version2를 다시 구상해보았다.

첫째, 인체감지센서만을 사용하여 선풍기 및 전등을 제어할 수 있게 메카니 즘을 구성하였다.

둘째, 표시등은 네오픽셀링 하나로 줄였다.

에너지 절약 신호등(version.2)의 메카니즘은 다음과 같다. 전원 스위치가

켜져 있고 전등이 켜져 있거나 선풍기가 돌아가는 상황에서 5분 동안 사람이 감지되지 않으면 전등 및 선풍기가 꺼지고 상태표시등(네오픽셀링)에 불이 들어오게 한다. 학생들은 상태표시등이 켜져 있는 경우 교실에 켜져 있는 전원스위치를 끄고, 옆에 있는 에어컨 및 난방 스위치를 확인해봄 으로써 완벽할 에너지 절약을 실천할 수 있을 것이다. 이 때 비교적 활발한 움직이 감지되면 자동으로 전등 및 선풍기가 켜진다. 스위치가 꺼진 상태에서는 전등 및 아두이노 전원공급을 일제히 차단하여 신호등이 작동되지 않는다.

스위치 ON

→ 전등 ON, 아두이노 ON

→ 5분 인체 미감지시 아두이노에 신호전달

→ 릴레이 모듈에 신호전달

→ 전등 OFF, 선풍기 OFF

→ 네오픽셀 링 ON

→ 인체감지시 네오픽셀 링 OFF

→ 전등 ON, 선풍기 ON

<작동 예시> <그림7> 에너지 절약 신호등(version 2)

3) 전력량 측정 계획 가) 전력량 측정기기

먼저 에너지에 대한 인식과 습관을 바꿀 수 있도록, 더불어 에너지 절약 신호등 전후의 전력량 측정을 위해 ‘스마트 전력요금 제어측정기 -SEM3000’을 사용한다. 이는 세 교실의 전기 계량기에 집게센서를 장착 해 무선으로 데이터를 전송하여 저장한다.

나) 전력 소모 시간 파악

전력량 하루 일과 동안 교실에서 이루어지는 정규시간만을 알아보고 이에 대한 전력량을 알아본 다. 방과 후 및 동아리 활동 등을 포함하되 쉬는 시간에 잠시 사용되는 시간은 포함시키지 않는다.

<그림6> 네오픽셀링

<그림8> SEM3000

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시간표 교체에 유의하여 시범교실들의 정규시간을 파악한다.

4) 홍보물 구상

홍보물 1 : 우리학교의 전기요금의 심각성을 나타낼 수 있는 포스터 홍보물 2 : 학생들의 마음에 쉽게 와 닿을 수 있는 정서적인 시 패러디

라. 연구 활동 및 과정 1) 전력량 측정

센서를 전기 계량기에 설치하고 확인가능한 곳에 SEM3000을 보관한다.

<그림9> 집게센서 장착 <그림10> 전력량확인

<그림11> 전력측정일기

시범교실의 담당선생님들의 시간표를 파악하여 정규시간을 알아본다. 시간표 교체 및 동아리 활동에 유의하여 정규시간에 추가한다. 이후 데이터를 정규시간을 기반으로 구한 예상 전력량에 대한 에너지 실제 에너지 사용량을 비교하여 에너지 낭비량을 구한다.

2) 신호등 제어함 만들기

외부전력 220v를 아두이노 시스템 전력 5v로 바꾸어 주는 어댑터, 동작감지기로 신호를 받고 네오픽셀 링을 제어하는 아두이노 나노, 형광등의 전력을 차단시킬 릴레이를 함에 넣어 정리한다.

<그림12>

신호등 제어함 제작

<그림13>

신호등 제어함

<그림14>

동작 감지기 테스트

또한 아두이노 나노에는 위에서 언급했던 메커니즘으로 에너지 절약 신호등을 작동시키기 위해 다음과 같은 코드를 입력한다.

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#include <Adafruit_NeoPixel.h> 네오픽셀링 라이브러리 파일을 포함한다는 선언.

// library from https://github.com/adafruit/Adafruit_NeoPixel 그 출처.

// more information https://www.adafruit.com/product/1463

#define SENSOR 3 #define SENSOR 3 』 이라고 해두면 이후 프로그램에서

#define NEOPIXEL 5 "SENSOR"라고 썼을 때 자동으로 “3”으로 인식

#define RELAY1 6

#define RELAY2 7

#define RELAY3 8

#define RELAY4 9

#define RELAY5 10

#define RELAY6 11

#define RELAY7 12

#define RELAY8 13

#define RELAY_ON LOW

#define RELAY_OFF HIGH

#define PIXEL_ON HIGH

#define PIXEL_OFF LOW

#define DURATION (100*300) // 10ms x 100 x 490 = 10ms x 49,000

#define INTERVAL 300 // Light-to-light interval

#define COLOR_RED pixel.Color(115,0,0) 괄호 안의 값은 R,G,B의 밝기 (0~255)

#define COLOR_OFF 0

int pixel_state; // it's not used actually

int no_man_count; // count for motion sensor 계산, 숫자 세기 등에 사용할 변수 정수 변수 선언

// Parameter 1 = number of pixels in strip

// Parameter 2 = Arduino pin number (most are valid) // Parameter 3 = pixel type flags, add together as needed:

// NEO_KHZ800 800 KHz bitstream (most NeoPixel products w/WS2812 LEDs) // NEO_KHZ400 400 KHz (classic 'v1' (not v2) FLORA pixels, WS2811 drivers) // NEO_GRB Pixels are wired for GRB bitstream (most NeoPixel products) // NEO_RGB Pixels are wired for RGB bitstream (v1 FLORA pixels, not v2) Adafruit_NeoPixel pixel = Adafruit_NeoPixel(16, NEOPIXEL, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

네오픽셀 링 라이브러리에서 제공하는 함수

void setup() {

pinMode(SENSOR, INPUT);

pinMode(RELAY1, OUTPUT);

digitalWrite(SENSOR, HIGH); //Pull-up 사용하는 아두이노 핀의 입/출력 설정

pixel.begin(); // 네오픽셀링 사용을 시작함 initialize arduino port output

for(int i=6; i<=13; i++) {

digitalWrite(i, RELAY_OFF);

} 초기에 릴레이를 모두 OFF한 상태로 시작 digitalWrite(RELAY1, RELAY_ON); delay(INTERVAL);

digitalWrite(RELAY2, RELAY_ON); delay(INTERVAL);

digitalWrite(RELAY8, RELAY_ON); 순차적으로 릴레이를 작동시킴

// initialize neoPixelRing to OFF

for(int i=0; i<16; i++) { pixel.setPixelColor(i, COLOR_OFF); pixel.show(); } pixel_state = PIXEL_OFF; // no need to do this

no_man_count=0;

} 네오픽셀 링을 모두 OFF, 카운팅용 변수를 0으로 초기화.

void loop() {

// when sensor is HIGH

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- 10 - if(digitalRead(SENSOR)) {

no_man_count=0; no_man_count 변수 값을 0으로 만듦

for(int i=6; i<=13; i++) { digitalWrite(i, RELAY_ON); delay(INTERVAL); } // all relay ON

for(int i=0; i<16; i++) { pixel.setPixelColor(i, COLOR_OFF); pixel.show();} //

PixelRing OFF

} 센서가 인체를 감지하면 릴레이를 순차적으로 킴 (아두이노 핀 6~13) 그리고 네오픽셀 링을 모두 끔

void loop() {

// when sensor is HIGH if(digitalRead(SENSOR)) {

no_man_count=0; no_man_count 변수 값을 0으로 만듦

for(int i=6; i<=13; i++) { digitalWrite(i, RELAY_ON); delay(INTERVAL); } // all relay ON

for(int i=0; i<16; i++) { pixel.setPixelColor(i, COLOR_OFF); pixel.show();} //

PixelRing OFF

} 센서가 인체를 감지하면 릴레이를 순차적으로 킴 (아두이노 핀 6~13) 그리고 네오픽셀 링을 모두 끔

else { no_man_count ++; } // Sensor is LOW -> count++

인체를 감지하지 못할 경우 no_man_count 변수 값을 10ms마다 1씩 증가시킴 // after 5min, all relay OFF

// and PixelRing activated if(no_man_count>DURATION) { for(int i=6; i<=13; i++) { digitalWrite(i, RELAY_OFF);

}

delay(50); 만약 no_man_count 변수 값이 지정한 값 이상이 되면 릴레이를 모두 끔

//PixelRing operation 네오픽셀 링을 킴 for(int j=0; j<16; j++) {

for(int i=0; i<16; i++) { if(i+j < 16) {

pixel.setPixelColor(i+j, COLOR_RED);

} else {

pixel.setPixelColor((i+j-16), COLOR_RED);

}

if(digitalRead(SENSOR)==LOW) { pixel.show(); delay(10); }

else { for(int i=0; i<16; i++) { pixel.setPixelColor(i, COLOR_OFF); pixel.show(); } break; }

}네오픽셀 링을 시계방향 차례대로 킴. 만약 그 도중 인체가 감지되면 네오픽셀

- 11 - 3) 스위치와 연결 및 동작감지기 설치

형광등 스위치를 제어함에 위치한 릴레이에 연결하여 한 번에 작동이 가능하도록 한다. 동작이 감지되지 않으면 아두이노가 릴레이에 신호를 보내 형광등이 전부 꺼지게 한다.

최대한 전압강하를 줄이기 위해 제어함과 가까운 위치에 설치한다. 감지 범위가 약 100여도인 것을 고려하여 적당한 곳에 설치한다. 이 후 제어함은 천장에 넣어 정리한다.

<그림15> 스위치전선 꺼내기 <그림16> 동작 감지기 설치 <그림17> 네오픽셀 링 부착

4) 네오픽셀 링(표시등) 연결 및 마무리

네오픽셀 링과 제어함에 위치한 아두이노와 연결하여 인체감지가 없을 시에 불빛이 들어오게 된다. 그리고 이를 복도 쪽으로 빼서 알아보기 쉬운 곳에 붙인다. 여러 장치들의 연결선들을

링 작동 중지.

for(int i=0; i<16; i++) { if(i+j < 16) {

pixel.setPixelColor(i+j, COLOR_OFF);

} else {

pixel.setPixelColor((i+j-16), COLOR_OFF);

}

if(digitalRead(SENSOR)==LOW) { pixel.show(); delay(10); }

else { for(int i=0; i<16; i++) { pixel.setPixelColor(i, COLOR_OFF); pixel.show(); } break; }

}

if(digitalRead(SENSOR)==HIGH) break;

} 픽셀링을 시계방향 차례대로 끔. 만약 그 도중 사람이 감지되면 픽셀링 작동 중지.

} 픽셀링이 회전하는 시작점을 조금씩 옮기기 위해 2중 for문을 사용하였다.

delay(10); 시간을 계산하기 위해 10밀리초(ms)의 딜레이를 주었다.

}

(8)

얇은 함에 넣고 벽 및 천장에 붙여 정리하였다

3. 연구 결과 및 시사점

가. 연구 결과

1) 요일별 예상사용 전력량 구하기 가) 시범교실 내 전기제품의 전력 구하기

교실1 : 55W×4대 + 28W×9개 + 17.6W×5개=560W 교실2 : (55W)×4대 + (28W)×15개 + (17.6W)×10개=816W 교실3 : (55W)×4대 + (28W)×9개 + (17.6W)×8개=613W

나) 시범교실의 정규시간표 조사

<시범 운영 기간 전 교실(1~3) 정규시간표>

<시범 운영 기간 교실(1~3) 정규시간표>

다) 쉬는 시간과 대기전력을 고려하여 전력량 구하기

쉬는 시간과 동아리 활동과 같은 정규시간표 외의 교실 운영시간이 있으므로 정규시간에 +1을 하고 대기전력은 전력량의 1/10이므로 마지막에 ×1.1을 취한다.

ex) 시범 운영 기간 전 월요일 예상전력량 [(3+1)*560+(4+1)*816+(3+1)*613]*1.1=9649.2()

  





교실의 정규시간   ×교실의 전력 ×

<요일별 예상 전력량>

위와 같이 계산한 예상 전력량을 SEM3000으로 측정한 실제 사용 전력량과 비교하여 낭비되거나 절약된 전력량을 구하였다.

2) 에너지 절약 신호등 설치 전 예상사용 전력량과 실제 사용 전력량 비교하기 낭비량(사용전력량-예상전력량) : 양수(에너지 낭비) / 음수(에너지 절약)

날짜 7월8일 9일 10일 11일 12일 13일 14일 예상전력량(Wh) 7795.7 10938 2871 9649.2 8135.6 8693.3 7124.4 사용전력량(Wh) 9116 12108 5579 12811 11326 13435 10597 낭비량(Wh) 1320.3 1169.6 2708 3161.8 3190.4 4741.7 3472.6

날짜 15일 16일 17일 18일 19일 20일 21일 예상전력량(Wh) 7795.7 10938 2871 9649.2 8135.6 8693.3 7124.4 사용전력량(Wh) 8994 13963 2610 9111 10221 15791 5176

낭비량(Wh) 1198.3 3025 -261 -538.2 2085.4 7097.7 -1948.4

총 에너지 낭비량: 33170.8(Wh) 총 에너지 절약량: 799.2(Wh)

→ 신호등 설치 전 시범교실 30423.2(Wh)의 전력량이 낭비

(9)

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3) 에너지 절약 신호등 설치 후 예상사용 전력량과 실제 사용 전력량 비교하기

날짜 8월 1일 2일 3일 4일 5일 6일 7일

예상전력량(Wh) 10489.5 5248.5 6189.4 9846.2 12457.6 5541 3021 사용전력량(Wh) 9649.2 8135.6 8693.3 6452.6 7795.7 7895 3728.3

낭비량(Wh) 840.3 -2887.1 -2503.9 3393.6 4661.9 -2354 -707.3

날짜 8일 9일 10일 11일 12일 13일 14일

예상전력량(Wh) 9649.2 6125 7023.6 6452.6 7795.7 5321.65 2652 사용전력량(Wh) 11246 4849 6034.7 9768 8845 4635 2509 낭비량(Wh) 1596.8 -1276 -988.9 3315.4 1049.3 -686.65 -143

총 에너지 낭비량: 14857.3(Wh) 총 에너지 절약량: 11546.9(Wh)

→ 신호등 설치 후 3310.15(Wh)의 전력량이 낭비

4) 줄어든 낭비 전력량

시범 운영 기간 동안 시간표가 바뀌기 때문에 정규시간을 기반으로 하여 그에 맞는 예상전력량 을 구하였다. 신호등 설치 전 기간과 비교하여 낭비되는 약 27113.15(W)의 전력량이 감소되었다.

- 15 -

낭비되는 전력량을 세 시범교실의 전력 총합으로 나누어서 낭비되는 시간을 구해보면 27113.15(Wh)/1989(W)=약13.6(h)이다. 만약 이 시간동안 에어컨(5000(W)*3)도 가동하고 있었다고 가정하면 27113.15(Wh)+15000(W)*13.6(h)=231113.15(Wh)의 전력량을 줄인 것이다. 이를 전기요 금으로 환산해보면 약 30,000(원)을 절약한 것이다.

5) 인식 변화

매일 학생들이 에너지 절약 신호등과 홍보물 을 구경하며 에너지 절약 정신을 되새겼다. 시 범교실 뿐만 아니라 교내 모든 교실에서 에너 지 절약을 실천하고 있다.

나. 시사점

기본적인 디바이스들의 명칭과 기능을 익힐 수 있고 보다 경제적이고 실현가능한 회로도를 구성하고 이를 이해할 수 있다.

에너지절약행동에 가장 큰 영향을 미치는 요인이 에너지의식이라는 것을 깨달았고 에너지의식 의 고취가 가장 직접적인 해결방안임을 알 수 있었다.

아두이노를 통해 소프트웨어 및 하드웨어 지식을 함양하는데 큰 도움이 되고, 다양한 프로그램 의 개발과 적용이 이루어 질 수 있다.

4. 홍보 및 사후 활용

가. 홍보물 제작 및 설치

<그림20> 우리학교 전기요금의 심각성을 알리는 포스터

<그림21> 김춘수의 ‘꽃’을 패러디한 시 포스터

<그림18> 에너지 절약을 실천하는 모습

<그림19> 에너지 절약 신호등을 구경하는 모습

(10)

<그림21> 홍보용 포스터를 붙이는 모습 <그림22> 홍보용 시를 게시하는 모습

나. 향후 연구계획

1) 에너지 절약 신호등 사용 설명서 부착과 홍보물을 게시하여 적극적으로 홍보함으로써 학생들에 게 신호등 사용으로 인해 에너지 낭비를 줄이는 것은 물론 더 나아가 미리 실천하는 효과를 거둘 수 있다.

2) 시범 운영 전의 월별 에너지 소비량과 비교하여 시범 운영 후의 에너지 소비량을 줄여 경제적인 측면에서 많은 도움이 될수 있다.

3) 본 장치를 가능한 소형화, 실용화시켜 일반인들이 설명서를 읽고 직접 가정 내에서나 사무실에 서 설치가 가능하게 하는 키트로 제작하여 가정용 상품으로도 만들 수 있게 한다.

4) 전기회로 교육자료, 또는 에너지 절약 교육자료 등 학생을 위한 교육자료로 활용될 수 있다.

5) 에너지 절약 신호등을 작동 시키는데 전기 에너지가 필요하다. 이 전기 에너지를 학생들의 움직임이 활발할 때에 에너지 수확 기술을 통해 생성하는 후속 연구가 이루어질 수 있다.

6) 온실가스 증가에 따른 지구 온난화와 같은 환경 문제, 전력 수급 위기 상황과 같은 에너지 부족 문제 완화에 이바지 할 수 있고 근본적으로 경제적인 측면에서도 많은 도움이 될 수 있다.

5. 참고문헌

[1] 김진수, 김진옥, 심세용 (2016). 중학생의 기술적 문제해결능력 향상을 위한 아두이노 활 용 STEAM 교육 프로그램 개발. 한국기술교육학회지, 16(1), 77-100.

[2] 김형근, 안광호, 최용석 (2011). 에너지 시뮬레이션을 통한 친환경학교의 에너지절약 계획 방안에 관한연구. 대한건축학회 논문집, 27(12), 19-26.

[3] 남진현, 장우진 (2010). 인체감지센서를 이용한 교실 조명에너지 절감 방안. 한국조명 · 전기설비학회 학술대회논문집, 67-69.

[4] 민현순, 여정성, 이기춘 (1996). 소비자의 에너지절약행동 및 에너지정책에 대한 호응도.

한국가정관리학회지, 14(2), 227-239.

[5] 배영철, 홍유식 (2016). 아두이노 센서 기반 스마트 조명. 한국지능시스템학회 학술발표 논문집, 26(1), 215-216.

[6] 송준광, 이해욱, 함중걸 (2001). 인체감지 모듈을 적용한 에너지 절감형 조명기구. 조명·

전기설비, 15(5), 36-41.

[7] 신권우, 이종필, 임재윤, 지평식 (2004). 인체감지를 통한 에너지절약 시스템 개발. 전기학 회논문지P, 53P(4), 205-209.