1. 개요
□ 연구목적
○ 연구의 필요성
가로등은 여러 방면에서 우리의 삶에 큰 영향을 끼치고 있는데, 어두운 밤에 차가 달리는 도로나 평소에 차량통행량이 많은 도로에 설치되어 차량의 통행을 보다 편리하게 만들어 주는 기능이 있는가 하면 동시에 유동 인구가 많은 인도에 설치되어 지나다는 사람들의 시야를 확보해주고 여러 안전사고 를 예방하는데 큰 도움을 주기도 한다. 연구 동기에서도 언급했듯이 삶에서 꼭 필요하게 되어버린 가로등에서 에너지 낭비문제, 야간주행 시 시야를 확보하지 못하는 안전문제 등 문제점이 발견되고 있다. 우선 에너지 효율성 의 측면에서 살펴보면 가로등 한 개에는 많은 전력이 들지 않지만, 경부고속 도로에서는 약 416km에 걸쳐서 가로등 약4만개가 설치되어 매달 대략 10억 원이라는 큰돈이 사용되고 있다. 하지만, 전력이 많이 소비되는 이유는 단순 히 많이 설치되어서가 아니라 차량 통행이 없음에도 불구하고 불필요한 곳에 항상 켜져 있는 문제점이었다. 이 뿐만 아니라 가로등으로 인해 생길 수 있는 빛 공해는 개인 간의 갈등에서 더 나아가 사회적인 문제까지 초래할 수 있고, 우리 주변에 있는 자연생태계에 문제를 일으킬 가능성도 있다.
마지막으로, 안전사고에 관한 측면이다. 인적이 드문 도로에 보면 가로등의 관리가 소홀해 꺼져 있는 경우를 자주 볼 수 있는데 이러한 문제가 지속되면 이로 인해 사고가 발생 될 수 있다. 폐쇄회로를 이용한 감시시스템 역시 무용지물이 된다. 위에서 언급한 여러 문제점들은 현재 사회에서 이슈화 되고 있어 빠른 대책이 필요하다고 판단하였다. 이러한 이유로 가로등의 구조를 보다 지능적이고 항상 중앙통제 시설에서 도로상황이나 가로등 운용 과 관련되어 효과적인 시스템에 대한 연구가 꼭 필요하다.
가. 에너지절약을 위한 보다 효율적이고 체계적인 가로등시스템이 필요하다.
나. 야간 주행 시, 안전한 시야확보가 될 수 있는 도로환경이 필요하다.
다. 빛으로 인한 환경문제 또는 사회적문제의 해결방안이 필요하다.
라. 도로를 이용하는 운전자에게 보다 원활한 운전을 가능하게 하는 도로환경 을 조성해야한다.
마. 신속하고 정확한 도로문제를 해결할 수 있는 능력이 필요하다.
○ 연구의 목적
이 연구의 궁극적인 목적은 유비쿼터스 센서 네트워크를 이용한 스마트 가로등 시스템을 구축하고 여기에 인터넷 프로토콜을 접목시켜 보다 넓은 범위를 중앙통제실에서 직간접적으로 가로등을 운용하는 시스템을 구축하 는 것이 연구의 목적이다. 시스템을 구축하기 위해서 첫 번째로 기본적인 가로등의 배치에 대한 연구와 적은 가로등의 사용으로 전기에너지 사용을 줄이는 등 에너지 사용에서의 절약을 통해 보다 효율적으로 가로등시스템을 운용할 수 있도록 한다. 그리고 도시로부터 멀거나 유동인구가 적은 도시의 주변에 있는 차량통행량이 적은 도로나 차량통행량이 적은시간대에 도로전 체를 밝히지 않게 한다, 그 대신 차량 몇 대의 움직임을 차량 감지 센서를 이용하여 감지하고, 차량과 가로등으로부터의 거리를 측정하여 차량이 이동 하는 구간만 가로등이 켜지고, 차량이 지나가서 차량감지 센서의 인식범위 에서 벗어나면 가로등이 꺼지는 점멸기능을 가로등 시스템에 적용하여 불필 요한 에너지의 사용을 줄이도록 한다. 또한, 차량감지 센서를 이용하여 도로 관리본부에서 차량의 움직임과 위치를 파악해서 사고 발생시, 사고에 대한 상황이 바로 인식될 수 있게 하고, 보다 신속하게 상황을 처리할 수 있도록 가로등 체계를 설계한다. 이와 같은 가로등 체계를 설계하는 것은 유비쿼터 스 센서 네트워크(USN)의 기능을 할 수 있도록 하는 것이며 이 시스템을 구축하는 것을 목적으로 하였다. 또한 IP기술을 이용하여 사고 발생이나, 도로에 문제가 생겼을 때 ,도로관리본부에서 상황을 CCTV나 신고를 접수받 을 필요 없이 인식해서 즉각적으로 가로등이 꺼지지 않게 해서 추가적인 사고나 문제가 발생 되지 않게 한다. 사고 발생지역이 아닌 다른 곳의 가로등 시스템은 원활하게 운용될 수 있도록 사고발생지역의 가로등을 원격으로 제어하는 인터넷 프로토콜의 기능을 접목시켜 2차 사고를 예방하고 보다 광범위한 범위에서 원활하게 가로등 시스템이 운용될 수 있도록 한다. 이러 한 시스템은 에너지와 경제적인 면에서 보다 효율적이고 친환경적인 체계를 만들어서 위에서 제시한 사회적인 문제에 대한 해결방안이 되고, 무엇보다 도 운전자에게 편안하고 안전한 운전을 할 수 있도록 하는 가로등 시스템을 구축하는 것이 이 연구의 궁극적인 목적이다.
가. 센서를 이용한 LED 밝기 조절에 적합한 코드와 회로 제작방법 연구 나. 차량감지 센서를 차량의 움직임에 따른 가로등 점멸기능
다. 중앙통제실에 가로등운용과 도로상황을 실시간으로 상황 전달하는 기능 라. 인터넷 프로토콜기능을 이용한 가로등 원격제어 기능
마. 인터넷 프로토콜기능을 접목한 유비쿼터스 센서 네트워크 가로등 시스템 구축
□ 연구범위
○ 연구 분야 및 범위
기존에 있는 여러 가지 센서들을 이용한 USN기술과 인터넷 통신망 기술인 IP 기술을 도로에 설치되어 있는 가로등에 적용하여 보다 편리 하고 효율적인 가로등시스템을 구축하도록 계획하였다.
○ 진행 단계
현재까지 진행된 단계는 각 시스템에 적합한 코드와 회로제작을 모두 마쳤으며, 도로모형을 제작하여 이에 적용하여 실제도로에서 일어날 수 있는 일들을 직접 도로모형에서 상황을 구현하여 실현가능성을 높이 고 있다.
2. 연구 수행 내용 □ 이론적 배경
○ 스마트 하이웨이(Smart Highway)
스마트 하이웨이란, 달리는 차량에 각종 도로 교통 정보, 위험 경 보 신호 등을 자동으로 무선 전달하여 각종 사고를 줄이고, 소통을 원활케 하는 지능 교통 서비스(ITS) 기술을 이용하여 도로상에 정보 발신 장치를 일정하게 설치한 뒤 움직이는 차량에게 앞차와의 차간 거리, 교차로에 진입하는 다른 차량 등과 같은 각종 교통 정보를 무선 통신망을 이용해 전달하고, 사고 위험 시 자동적으로 운전자 에게 사전 경보함으로써 운전자는 운전에만 집중할 수 있게 하는 첨단 기술이다. 무선 통신망은 Wi-Fi 망과 같은 원리로 도로상에 핫스팟이 설치되고 달리는 차량은 해독기를 통해 정보를 전달받는 등의 기능을 말한다. 현재 우리나라도 2016년까지 이에 민간과 정
부가 협력하여 약 1494억 정도를 투자할 계획이다. 아래는 현재 스 마트 하이웨이에 적용될 주요기술이다.
○ IP
IP는 인터넷상의 한 컴퓨터에서 다른 컴퓨터로 데이터를 보내는 데 사용되는 프로토콜이다. TCP에 의해 패킷으로 변환된 데이터를 네트워크를 통해 다른 호스트로 오차 없이 전송한다. 인터넷상의 각 컴퓨터, 즉 호스트들은 다른 컴퓨터와 구별될 수 있도록 적어도 한 개 이상의 고유한 주소를 갖는다. 사용자가 전자우편이나 웹페 이지 등과 같은 데이터를 보내거나 받을 때, 메시지는 패킷이라고 불리는 작은 조각으로 분리되어진다. 이러한 각 패킷에는 송신자의 인터넷 주소와 수신자의 인터넷 주소가 들어있는데, 어떤 패킷이라 도 게이트웨이 컴퓨터로 먼저 보내질 수 있다. 게이트웨이 컴퓨터 는 수신지 주소를 읽고 그 패킷을 인근의 게이트웨이로 넘긴다. 이 후 차례로 그 패킷이 속한 컴퓨터의 바로 인근이거나 해당 도메인 에 있는 게이트웨이가 그것을 받아볼 때까지 수신지 주소를 읽기를 반복하면서 게이트웨이들은 패킷의 전달을 계속해 나가며, 해당 도 메인의 게이트웨이는 그 패킷을 받으면, 패킷에 적힌 주소의 컴퓨 터로 직접 전달한다. 한 메시지가 여러 개의 패킷으로 나뉘어졌기 때문에, 각 패킷은 필요한 경우 서로 다른 경로를 통해 보내어질 수도 있으며, 패킷들은 원래의 보낸 순서와는 다른 순서로 도착될 수도 있다. OSI 통신 참조모델에서 IP는 세 번째 계층인 네트워크 계층에 속한다.
○ USN (Ubiquitous Sensor Network)
필요한 모든 사물에 전자태그를 부착해 사물과 환경을 인식하고 네트워크를 통해 실시간 정보를 구축, 활용하도록 하는 통신망을 USN이라고 한다. 현재 USN 시스템은 도로의 횡단보도에 설치된 음성경고 센서와 자동운행 에스컬레이터에 설치된 사람감지 센서 등과 같이 이미 실생활에 많이 설치되어있고 시행중이다. 아래는
현재 개발 중인 또는 이미 개발 및 시행되어 운용중인 센서를 이 용한 보다 편리한 생활을 가능하게 하는 시스템과 연구들이다.
가. 적외선을 이용한 인체 감지 센서점멸기 개발
나. 자동운전 에스컬레이터 및 무빙워크 제작 및 개발 다. 횡단보도 음성 안내장치 연구
라. 하이패스 (고속도로 톨게이트를 통과할 때 요금이 자동으로 결제되는 시스템)
마. USN (유비쿼터스 센서 네트워크) 기반 지하주차장 조명제어 시스템
바. 무선센서 네트워크를 활용한 주차관리시스템
이외에도 여러 가지 다양한 용도로 사용될 전망이 밝은 기술이다.
○ IP-USN 기술
간단하게 설명하자면 USN 기술과 IP 기술을 접목시킨 방식이다. IP 인프라와 USN 인프라 간 시너지 효과 극대화를 위해 센서 노드에 IP를 탑재하여 광범위한 확장성과 이동성을 보장하기 위하여 탄생했고, 낮은 전력을 이용하는 무선 센서 네트워크(IEEE 802.15.4)에 인터넷프로토콜 (IP)을 결합해 센서의 활용도를 높일 수도 있어 매우 유용한 기술로 평가 받는다. U시티, 물류, 재해방지, 군사, 홈 네트워크 등 다양한 분야에 활용된다.
□ 선행 연구 ○ 실험 요약
그림 2 편측 배치방법
그림 3 지그재그 배치방법
그림 4 마주보기 배치방법
보다 효율적인 가로등시스템을 구축하기위해 실제로 존재하고 사용
되고 있는 가로등 배치방법을 연구하여 보다 효율적인 가로등 배치방 법을 모형을 제작하고 가로등간의 간격과 간격에 적합한 배치도를 실험을 통해 알아내고 이를 앞으로의 가로등 시스템에 적용한다.
○ 실험 결과
이 결과 2차선에서는 8cm의 높이의 가로등간의 간격이 약 25cm의 편측 배치방법이, 4차선에서는 한 방향에 배치된 10cm의 높이의 가로등간의 간격 이 약 48cm의 지그재그 배치방법이, 8차선에서는 같은 방향에 배치된 높이 12cm의 높이의 가로등간의 간격이 약 54cm의 지그재그 배치방법이, 그리고 마지막으로 곡선도로에서는 높이 8cm인 가로등의 지그재그 배치방법이 각각의 도로환경에 가장 적합하다는 결론이 나왔다.
□ 연구주제의 선정 ○ 연구주제 선정
요즘 추세인 에너지 절약에 관련된 토의를 하던 중 이제는 생활에 꼭 필요하 게 되었지만 에너지가 지속해서 소모되는 가로등의 에너지 절약 관련 주제 가 나왔고, 그에 대해 연구를 진행하기로 방향을 잡았다. 우선, 연구의 주된 재료는 아두이노 우노(Arduino UNO)라는 마이크로컴퓨터인데, 이것을 이 용하여 다양한 코드를 입력하여 상황에 따라 변하는 출력 값을 만들어낼 수도 있고 여러 가지 센서나 장치들을 연결하여 한 번에 실험이 가능하도록 만들어준다. 더불어 도로상에서 가로등이 꺼져있을 때 발생할 수 있는 2차사 고(여기서 2차 사고란 고장, 사고로 정차한 차량을 보지 못하고 뒤따르던 차량이 추돌하는 사고를 뜻한다)를 예방을 할 수 있다. 가로등 시스템의 에너지 절약과 2차사고를 예방이라는 큰 두 가지 목적을 가지고 실험을 시작하였다.
○ 전문가 자문
현재 도로를 잘 보면 바닥면에 살짝 홈이 파여 있는 곳을 볼 수 있다.
이는 도로를 처음 설계할 때, 설치하는 압력센서의 일종으로 로드셀이 라고 불린다. 이는 현재 사용되고 있는 과속단속카메라에서 번호를 찍을 수 있도록 속도를 측정하는 센서이다. 하지만, 이 센서를 우리 연구에 적용시키기 위해서는 각 도로의 일정간격마다 설치해야하는데 너무 비용이 많이 들어간다는 경제적인 문제점이 발생한다. 따라서
우리가 연구한 가로등시스템은 로드셀보다는 적외선이나 초음파센서 와 같이 설치비용이 적고 프로그래밍이 쉽게 가능한 센서를 적용하게 되었다.
□ 연구 방법 연구 방법
○ 광센서(CdS센서)와 초음파센서를 이용한 환경에 따른 조도밝기 조절 ○ 초음파 센서 설치 방법에 따른 보다 도로에 적합한 시스템 구조 연구 1) 도로제작 및 도로모형에 시스템 적용
가) 1개의 초음파 센서를 이용한 가로등 시스템 2) 센서 배치에 따른 시스템 구조 연구
가) 도로 모형에서의 초음파 센서의 측면배치와 바닥배치
나) 도로의 한쪽 측면에 초음파 센서를 설치하여 차선에 관계없이 차량이 초음파 센서의 측정 범위에 들어오게 되면 가로등이 켜질 수 있도록 시스템을 운용한다.
다) 2개의 초음파 센서를 가로등의 앞뒤로 간격을 두고 설치하여, 앞쪽 의 센서에서 차량의 움직임이 감지가 되면 가로등이 켜지도록 하 고 뒤쪽의 센서에서 차량이 감지되면 가로등이 꺼지도록 프로그램 을 설계하여 센서가 가로등의 스위치 같은 역할을 하도록 시스템 을 구축한다.
○ IP기술을 이용한 2차사고 예방 LED ON/OFF 조절 연구
도로관리본부에서 도로의 가로등을 통해 사고 지역을 인식할 수 있게 하며 도로관리본부에서 가로등의 ON/OFF를 통제할 수 있게 한다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 광센서(CdS센서)를 이용한 환경에 따른 조도밝기 조절
마이크로컴퓨터인 아두이노 UNO 사용법을 익히고 LED밝기제어방법에 대하 여 고안하고 초음파센서와 광센서에 따른 LED의 제어방법에 대한 알고리즘 을 코드로 제작하고 거기에 따른 회로를 제작한다.
그림 5 LED밝기 제어 실험
그림 6 LED밝기 제어 실험
위 그림은 코드를 마이크로컴퓨터에 입력하여 LED의 밝기를 조절하는 실험이다.
int lightPin = 0; // define a pin for Photo resistor int ledPin=11; // define a pin for LED
void setup() {
Serial.begin(9600); //Begin serial communication pinMode( ledPin, OUTPUT );
}
void loop() {
Serial.println(analogRead(lightPin));
analogWrite(ledPin, analogRead(lightPin)/4);
delay(10); //short delay for faster response to light.
}
위 코드는 광센서로부터 입력되는 주위의 조도 값을 받아 이를 마이크로컴퓨터를 이용하여 4계의 범위로 나누어서 LED에 출력되는 저항 값을 조절하여 LED의 밝기를 제어하는 기능을 할 수 있도록 코드를 제작하였다.
제작한 회로와 코드를 마이크로컴퓨터에 입력하고 광센서와 LED를 연결하는 회로를 제작하여 광센서에 입력되는 조도 값을 계산하고 이에 따라 LED의 밝기를 제어하는 시스템을 만듦으로써, 광센서의 주위가 어두워지면 LED의 밝기가 밝아지고, 주위가 일정 이상 밝아지면 LED의 밝기가 어두워져, 주위가 항상 자동으로 일정한 조도를 유지할 수 있도록 시스템을 프로그래밍 하였다.
그림 7 회로도 연결 그림 8 자동조도조절실험 그림 9 자동조도조절실험
위 그림은 초음파 센서의 거리 측정값을 이용한 자동조도조절 시스템을 연구한 사진이다. 왼쪽부터 회로도 연결사진, 일정한 거리에서 물체를 감지했을 때, 물체가 가까이 접근하였을 때, LED의 밝기를 자동으로 조절하는 실험이다.
const int trig = 13;
const int echo = 10;
float cm;
void setup() { Serial.begin(9600);
pinMode(trig, OUTPUT);
pinMode(echo, INPUT);
pinMode(11,OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(trig, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trig, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trig, LOW);
cm = pulseIn (echo, HIGH)/ 58.0;
cm = (int(cm*100.0))/100.0;
Serial.print(cm);
Serial.println("cm");
Serial.println();
delay(500);
if(cm < n1 ) {
analogWrite(11,250);
}
else if( n1 < cm ) { analogWrite(11, 10);
} else
digitalWrite(11,LOW);
}
위 코드는 측정되는 거리를 cm으로 잡고, 기준으로 n1을 잡고 측정되는 거리가 n1 보다 작으면 LED의 밝기가 250으로 켜지고, n1보다 거리가 크게 측정되면 10의 밝기가 켜지도록 설계하고 측정거리를
벗어난 값이 마이크로컴퓨터에 입력되는 경우에는 LED가 꺼지는 형식으로 프로그래밍 되었다.
위 실험을 통하여 센서에 측정되는 거리에 따라 기본적인 LED의 제어가 가능하도록 설계하였고, 이를 이용하여 도로에 적용할 가로등 시스템의 기반 이 될 수 있었다. 이는 다음 실험인 센서 배치실험에서 센서를 한 개 설치할 때의 코드와 센서를 두 개 설치할 때의 코드에 밑바탕이 되며, 기본적인 코드 체계라고 할 수 있다.
○센서설치방법에 따른 보다 도로에 적합한 USN 시스템 구조 연구
1) 1개의 센서를 이용한 가로등 시스템
1개의 초음파센서를 가로등의 앞쪽에 각각 설치함으로써 가로등이 초음파센서가 물체를 감지하는 것에 따라 가로등의 점멸기능이 가능하도록 코드를 설계한다. 이는 초음파센서의 감지에 따라 가로등이 켜지고 유지하는 시간을 각 도로의 차량 의 제한 속도와 평균속도를 고려하여 특정 속도범위에 따라서 조절하는 방식으로 점멸기능의 가로등 시스템을 구축한다.
그림 10 초음파센서 도로 측면 설치 그림 11 움직임 변화 감지 실험
이 센서배치방법의 문제점은 특정한 속도에만 가로등이 운용될 수 있도록 설계하여, 이런 속도 범위를 벗어나는 경우에는 가로등 시스템을 적용시키지 못한다는 문제점이 있었고, IP와 관련되어 도로정보나 교통정보를 실시간으 로 중앙통제실에 전달하는 능력 또한 미흡함을 보여 이를 보완하고 문제를 해결할 수 있는 추가적인 센서배치 방법을 연구하였다.
2) 2개의 초음파센서를 이용한 가로등 시스템
초음파 센서를 마이크로컴퓨터에 연결한 후, 초음파 센서 두 개가 가로등을 제어할 수 있는 코드를 제작한다. 두 개의 초음파 센서를 제어할 수 있는 코드는 직접 우리가 제작을 해야 했다. 이 때, 앞쪽의 센서에서 차량의 움직임 이 감지가 되면 가로등이 켜지도록 하고, 뒤쪽의 센서에서 차량이 감지되면 가로등이 꺼질 수 있도록 가로등 시스템을 구축한다.
그림 12 회로 연결 그림 13 앞쪽의 초음파센서를 지날 때 그림 14 뒤쪽의 초음파센서를 지날 때
이 실험은 앞쪽의 1개의 센서를 이용한 가로등운용시스템의 문제점인 사고 유발 가능성이 있는 체계를 보완하고, 또한 가로등의 점멸기능이 앞뒤의 다른 가로등간의 점멸기능이 교차되어 발생되게 함으로써, 보다 안전하고 편안한 운전이 될 수 있도록 센서 배치를 하였다. 이 최종적인 센서 배치방법 인 이러한 USN기술뿐만 아니라 IP기술의 접목에 대한 문제를 고려하여 보다 중앙통제실에 상황전달 능력을 실시간으로 할 수 있는 시스템의 기반으 로 설계하였다. 또한 이러한 가로등 시스템을 도로관리본부에 가로등 모니터 링을 가능하게 하여 보다 중아통제실에서 상황을 빠르게 파악할 수 있도록 가로등 시스템을 제작하였다.
그림 15 사고발생에도 꺼지지 않는 가로등 그림 16 도로관리본부에서 자동으로 켜지는 LED 그림 17 도로관리본부 모형 delayMicroseconds(10);
digitalWrite(2,LOW);
delayMicroseconds(5);
int input1 = pulseIn(3,HIGH);
delay(10);
digitalWrite(4,LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(4,HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(4,LOW);
delayMicroseconds(5);
int input2 = pulseIn(5,HIGH);
Serial.print("Distance1");
Serial.print(":");
Serial.println(input1);
Serial.print("Distance2");
Serial.print(":");
Serial.println(input2);
delay(100);
if (input1 <=1000) { digitalWrite(13,HIGH);
digitalWrite(11,HIGH);
Serial.println("ON");
} else if (input2 <=1000) { digitalWrite(13,LOW);
digitalWrite(11,LOW);
Serial.println("OFF");
}
void setup() {
pinMode(13,OUTPUT);
pinMode(11,OUTPUT);
pinMode(2,OUTPUT);
pinMode(3,INPUT);
pinMode(4,OUTPUT);
pinMode(5,INPUT);
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
digitalWrite(2,LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(2,HIGH);
else
Serial.println("Umknown command");
}
위 코드는 도로관리본부에서 사고 발생을 인지하기 위해서 도로관리본부에 설치한 붉은 LED 를 제어 하는 코드이다. 가로등이 켜질 때 도로관리본부에서의 붉은 LED도 동시에 켜지고 가로등이 꺼질 때 붉은 LED도 꺼지도록 한다.
○ IP기술을 이용한 가로등 제어 시스템 연구
그림 18 인터넷 브라우저로 LED 제어 화면 그림 19 Ethernet Shield 회로 연결 그림 20 시리얼모니터
도로관리본부에서도 사고의 발생을 인지하면 해당 가로등에 부여되어 있는 IP주소를 통해 가로등에 연결된 LED를 켠다. 이렇게 했을 때에는 현 연구에서 발생할 수 있는 맹점을 해결할 수 도 있다. 현 연구에서 발 생할 수 있는 맹점은 다음과 같다. 앞선 연구에서 차량에 사고가 발생했 을 때 사고현장 옆을 다른 차량이 지나서 가로등이 꺼지는 경우가 발생 할 수 도 있다. 이 때 사고가 발생한 것을 알고 도로관리본부에서 계속 해서 가로등이 켜져 있도록 이더넷에 연결된 가로등을 키면 가로등이 꺼지지 않고 계속 도로를 비출 수 있다. 따라서 현 연구에서 가로등모형 에는 두 개의 LED가 필요하다. 가로등의 첫 번째 LED는 차량감지 센서 (본 연구에서는 차량감지 센서를 초음파 센서로 적용했다)에서 입력되는
데이터를 토대로 점멸기능을 하며 두 번째 LED는 가로등이 IP로 이더 넷 서버와 연결되어서 도로관리본부에서 켜고 끄게 할 수 있게 하는 LED이다. 때문에 기존의 밤이 되어도 켜지지 않았던 불량한 가로등시스 템에서 발생했던, 가로등이 켜져 있지 않아서 발생하는 2차 사고를 예방 할 수 있을 것이다.
○ IP-USN을 이용한 보다 효율적인 가로등 시스템 연구
그림 21 IP-USN을 이용한 보다 효율적인 가로등 시스템
IP-USN을 이용한 보다 효율적인 가로등 시스템은 우선 가로등을 LED 로 제작해서 전기 에너지의 사용량과 경제적 비용을 절감시킨다. 그리고 가로등의 수는 적지만 가로등이 도로를 전체적으로 골고루 밝힐 수 있는 효율적인 배치를 위해 가로등을 지그재그 형으로 설치하게 한다. 그리고 현재 가로등 시스템에도 별다른 공사 없이 USN기술이 적용될 수 있도록 초음파 센서를 가로등의 앞뒤로 설치한다. 초음파 센서를 가로등의 앞뒤 로 설치하여 센서가 차량을 인식해서 가로등을 켜고 끄는 스위치 역할을 하게 한다. 그래서 앞의 초음파 센서를 지나고 뒤의 초음파 센서를 지나 지 않으면 가로등은 계속해서 켜져 있게 된다. 따라서 차량이 통행하지 않을 때에는 가로등이 켜져 있지 않게 되어 에너지 사용량과 경제적 비 용을 절감할 수 있으며 빛 공해 또한 감소시키는 효과를 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 도로관리본부에서 도로의 상황을 가로등을 통해 인지하게 한다. 도로관리 본부에서 사고를 인지하고 사고가 난 곳의 가로등이 다른
차량이 사고지역을 지나도 꺼지지 않도록 해서 2차 사고를 예방한다.
3. 연구 결과 및 시사점 □ 연구 결과
위와 같은 여러 가지 실험들의 결과를 종합해보면, IP-USN을 이용해 제작한 가로등 시스템은 기존의 가로등 시스템에 비해 여러 가지 측면에서 좀 더 개선되었다. 우선 가로등이 차량통행에 따라서 켜지고 꺼짐으로써 에너지와 경제적 비용을 절약할 수 있다. 뿐만 아니라 사고가 발생했을 때 도로관리본부 에서 사고가 난 해당 가로등을 밝혀서 사고 지역에서 발생할 수 있는 2차 사고를 예방할 수 있다.
○ 나트륨등과 LED등의 비교
대부분의 도로의 가로등이 150W 나트륨램프를 사용한다. 이때의 전기요금 과 에너지 소비를 가로등에 LED를 설치했을 때와 비교했을 때 LED를 사용하 면 매달 대략 720,000kWh의 전력을 절약할 수 있으며 대략 439,248,000원 정도를 절약할 수 있다.
○ 광센서를 이용한 환경에 따른 조도밝기 조절시스템 연구
LED의 밝기를 마이크로컴퓨터와 연결된 센서에 입력되는 측정값에 따 라서 조절할 수 있는지와 LED를 제어하는 방법을 익혔다. 이 연구는 이 후의 다른 추가적인 센서를 운용하는 방법을 익히는데 발판이 되었으며 이후 적용할 초음파 센서에 입력되는 거리 값을 이용하여 LED의 밝기 를 조절할 가능성을 알아볼 수 있었다.
○ 초음파 센서를 이용한 LED 밝기 제어 연구
아두이노를 이용해 물체가 인식됨에 따라 초음파 센서의 입력 값을 인 식하고 출력 값을 보내 LED가 켜지도록 하는 시스템은 에너지 절약 면 에서 효율적인 시스템이다. 또한, 초음파 센서를 교차 배치함으로 인해 서 자동차가 지나가기 전에 미리 가로등이 점등되어 운전자의 시야를 확보 해줘서 보다 안전한 운전을 할 수 있도록 해줄 수 있다. 처음에 설 치할 때는 많은 비용이 소모될 수도 있지만, 장기적으로 본다면 도로마 다 이런 가로등 시스템을 설치하면 에너지를 절약할 수 있다. 이 연구를 통해서 센서에 측정되는 거리에 따라 기본적인 LED의 제어가 가능하도
록 설계하였고 이를 이용하여 도로에 적용할 가로등 시스템의 기반을 만들었다. 이는 다음 연구인 센서 배치 실험에서 센서를 한 개 설치할 때의 코드와 센서를 두 개 설치할 때의 코드의 밑바탕이 된다.
○ 센서 설치 방법에 따른 보다 도로에 적합한 USN 시스템 구조 연구 이 연구를 할 때 우선적으로 시스템을 적용시켜보기 위해서 도로모형을
제작했으며 100:1의 크기로 축소시켜 직선도로와 가로등 모형을 제작했 다. 그리고 초음파 센서를 1개의 센서를 이용한 가로등 시스템을 연구했 다. 이 때 초음파 센서를 바닥에 설치할지, 측면에 설치할지에 대해 연 구한 결과 실제 도로에서는 측면에 배치하는 것이 좀 더 나을 것이라고 판단했다. 이후 두 개의 초음파센서를 이용한 가로등 시스템을 연구했 다. 한 개의 센서를 배치했을 때에는 특정한 속도 이상을 벗어나면 가로 등 시스템이 제대로 적용이 되지 않으며 IP와 관련되어 도로정보나 교 통정보를 실시간으로 도로관리본부에 전달하는 능력 또한 미흡함을 보 여 이를 보완하기 위해서 두 개의 초음파 센서를 이용한 가로등 시스템 을 연구한 것이다. 가로등의 앞뒤로 센서 두 개의 센서를 사용했을 때에 는 센서가 스위치 역할을 하여 가로등의 앞의 센서가 가로등을 켜고 뒤 쪽의 센서가 가로등을 끄는 역할을 한다. 또한 가로등의 점멸기능이 앞 뒤의 다른 가로등간의 점멸기능이 교차되어 발생되게 함으로써, 보다 안 전하고 편안한 운전이 될 수 있도록 센서 배치를 하였다.
○ IP기술을 이용한 가로등 제어 시스템 연구
아두이노 이더넷 쉴드와 ip기술을 이용해 LED를 컴퓨터로 원격 제어 할 수 있는 시스템은 1차사고 이후에 빈번히 발생하는 2차 사고를 예방할 수 있다. 사고가 발생하거나 어떠한 이유에 의해서 앞쪽의 초음파 센서 가 물체를 인식하고 가로등을 켰지만 뒤쪽의 초음파 센서에서 사고차량 이외의 차량이 지나갈 때 가로등을 꺼지게 하는 경우의 문제가 발생했 을 시에는 도로관리본부로 신호가 전송되어 본부에서 가로등을 제어하 도록 한다. 가로등 제어는 이더넷 쉴드를 이용한 프로그램을 이용하여 문제가 생긴 도로 부분에 가로등을 원격으로 켜질 수 있게 한다. 이는
사고가 발생한 차량의 운전자와 뒤이어 온 운전자 모두의 시야를 효과 적으로 확보해 주어 2차사고의 추가 피해를 효과적으로 예방할 수 있을 것으로 기대된다.
□ 결론
이 연구는 스마트하이웨이와 같이 보다 편리하고, 효율적인 도로시스템을 연구하고, 또한 가장 중요한 문제인 안전을 중심으로 계획하였고, 진행하였 다. 먼저, 불필요하게 에너지가 손실되는 것을 막고, 보다 운전자의 안전을 위협하는 사고로부터 막는 시스템을 연구하였다. 우리는 아침이 되어 밝아졌 는데도 불구하고 가로등이 켜있는 광경을 본적이 있다. 또한 이미 어두워 졌는데도 불구하고 가로등이 켜져 있지 않아 오직 차량의 헤드라이트에 의존 해서 운전을 한 경험이 한 번쯤은 있을 것이다. 우리는 이러한 문제를 해결하 기 위해 연구를 진행했고, 거기에 적합한 시스템을 설계하였다. 적합한 시스 템을 설계하기 위해선 먼저 여러 가지 센서를 제어하는 방법과 LED를 제어하 는 방법을 익히고 여러 가지 실험을 통하여 코드제작과 회로도 제작 방법에 대한 지식을 습득해야 했다. 그리고 이와 같이 학습한 내용을 이용하여 여러 가지 도로 상황을 고려하며 그에 맞는 시스템을 설계하고, 이에 적합한 코드를 제작하여 시스템을 만들었다. 그 결과 도로시스템을 운용하면서 추가적인 문제 발생에 따른 보완방법을 고려하고 고안하면서 최종적인 유비쿼터스 센서 네트워크의 기능을 가진 2개의 초음파센서를 이용한 가로등의 점멸기능 및 실시간 상황보고 가로등 시스템을 구축할 수 있었다. 뿐만 아니라 일반적인 상황이 아닌 사고 발생이나 예상치 못한 도로상황이 발생하였을 때, 시스템에 인터넷 프로토콜의 기능을 접목시켜 원격으로 가로등을 제어할 수 있게 했다.
그리고 본 연구가 실제 현재 쓰이는 가로등 시스템에 관해서는 차질을 받지 않고 원활하게 운용이 될 수 있도록 실험모형을 통해서 특정 상황을 구현했다.
그리고 제대로 운용이 될 수 있는지에 대한 여부를 실험을 통해서 알아보고, 이에 관련되어 가로등시스템의 문제를 보완함으로써 보다 실용적이고 현실 적인 IP-USN을 기술을 이용한 가로등시스템을 구축할 수 있었다.
○ 초음파센서 2개를 이용하여 가로등의 점멸기능을 가능하도록 코드와 회로도를 설계하고 제작하여 가로등시스템의 기반을 만들었다. 이를 도 로에 배치할 때, 가로등의 초음파센서를 교차로 배치함으로써 차량이
하나의 가로등을 지나가서 가로등이 꺼지기 전에 다음 가로등이 켜지게 하여 운전자의 입장에서 보다 안전하게 운전이 가능하도록 했다. 이를 이용하여 도로관리본부에 설치되어있는 도로상황모니터나 가로등운용모 니터를 통하여 실시간으로 데이터를 전송하여 보다 신속하고 원활한 도 로관리가 될 수 있게 했다.
○ 연구한 인터넷 프로토콜의 기능은 바로 일반적인 도로상황이 아닌 위 에서 제시한 가로등시스템이 적용이 안 되는 상황에서 역할을 한다. 교 통사고나 도로에 문제가 발생하여 가로등 시스템과 상관없이 계속해서 가로등이 켜져 있어야 하는 상황이 벌어졌을 때, 인터넷 프로토콜의 기 능을 이용하여 특정가로등을 원격으로 제어하는 형식으로 시스템을 구 축함으로써 보다 실용적이고 효율적인 IP-USN의 기술을 가로등시스템에 적용할 수 있었다.
□ 시사점
평소에 가로등 시스템은 다소 빈약했다. 차량통행량과 유동 인구가 적은 도로에서는 눈이 부실정도로 환하게 켜져 있는 가로등이 있는 도로 도 파다했고, 가끔 유동 인구가 거의 없는 시골동네나 지방에 위치한 도시에 가보면 당연히 설치되어있어야 할 곳에 배치가 되어있지 않았다.
그래서 이와 같은 가로등 시스템을 보완하기 위해 본 연구의 주제인 효율적인 가로등 시스템 개발을 연구하게 되었다.
이번 연구를 진행하면서 크게 에너지 절약과 2차 사고예방이라는 두 가지 테마를 메인 목적으로 삼았는데, 항상 켜져 있지 않고 물 체가 인식될 때마다 적절한 거리에 따라서 점멸 및 점등할 수 있는 시스템을 아두이노와 초음파 센서를 이용해 만들어서 에너지 절약 측면에서는 성과를 거두었다고 생각한다.
선행연구를 하다가 로드셀이라는 압력감지 센서를 알게 되었다.
사실 이 연구에는 초음파 센서보다는 로드셀이 차량을 감지하는 데 에는 더 유용하다. 그러나 로드셀을 사용하지 않는 이유는 로드셀 을 이용하기 위해선 도로를 다시 공사해야하기 때문이다. 본 연구 는 도로를 공사하지 않으면서 현재 배치되어있는 가로등에도 적용
이 가능한 가로등 시스템을 개발하는 것을 추구했다. 그리고 이번 연구에서는 아두이노라는 마이크로컴퓨터를 사용해서 연구를 진행 했는데. 아두이노는 브레드 보드와 같이 이용하면 다양한 알고리즘 의 실행이 가능하고 여러 센서들과 함께 이용할 수 있어 사용범위 가 무궁무진한 것 같았다. 그래서 이번 가로등 시스템 연구도 아두 이노를 이용해서 광센서를 이용한 주변 밝기에 따른 조도조절실험, 초음파 센서의 입력 값과 출력 값을 이용한 실험, 이더넷 쉴드를 이용한 원격제어를 통한 가로등 점멸 및 점등, 등 연구의 폭을 넓 혔고 연구에서 원하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 아두이노 이더 넷 쉴드를 이용하고 그에 알맞은 코드 제작을 통해 인터넷 웹브라 우저를 이용하여 가로등이 켜져 있을 때 가로등으로부터 멀리 떨어 진 도로관리본부에서도 사고를 감지할 수 있고, 사고가 발생했을 때 가로등을 원격 제어할 수 있는 시스템을 통해 2차사고 역시 예 방될 수 있는 시스템을 제작했다. 처음에 연구를 시작하였을 때는 아두이노라는 프로그램에 대해서도 자세히 몰랐고 눈으로 보기만 하였던 가로등 에너지 낭비 싵태에 대해서도 자세한 조사가 이루어 지지 않아 막막한 점이 몇 가지 있었다. 하지만, 조원 3명이 함께 협력하여 아두이노를 공부해서 코드도 스스로 제작해보고, 추가 여 러 가지 포트나 센서, 연결 물품들을 직접 구매하여 연구에 이용할 수 있는 수준까지 발전하여 연구가 후반부로 갈수록 연구가 수월해 졌다. 뿐만 아니라 가로등에 관련된 문제도 도로공사나 시청 사이 트에 접속해서 문의를 통해 조례나 법규, 현재 관리 실태 등을 알 고 나니 연구 목적이 더욱 뚜렷해졌다. 앞으로 우리가 만든 시스템 이 그대로 또는 더욱 발전된 형태로 실제 도로 모형에 적용된다면 인간의 삶은 이전보다 훨씬 편리해질 것으로 기대한다. 더 연구할 기회가 생긴다면 아두이노에 추가 장치와 센서를 이용하여 보다 다 각도에서 도로를 바라보아 가장 인간이 이용하는데 적합하고 사고 가 날 확률이 적은 가로등 시스템에 대해 연구해보고 싶다.
4. 홍보 및 사후 활용 □ 향후계획
현재 우리의 연구는 초음파센서를 이용하여 가로등의 점멸기능을 제어하고 도로상황을 중앙통제실에서 모니터링 하여 실시간으로 가 로등 시스템을 관리할 수 있도록 유비쿼터스 센서네트워크 기술을 가로등시스템에 적용시켰고, 추가적으로 인터넷프로토콜 기술을 이 에 접목시킴으로서 기존에 있는 시스템으로는 관리할 수 없는 도로 상황이나 발생되는 문제를 해결할 수 있는 능력을 갖추게 되었다.
하지만, 이와 같은 시스템을 실제로 적용하기 위해서는 보다 구체 적이고 확실한 센서기술과 정확한 데이터 값, 그리고 도로에 적용 하여 시스템 시험운용과 같은 실험을 추가적으로 갖춰야한다. 먼저, 센서기술에는 현재 사용하고 있는 로드셀, 또는 적외선센서를 이용 하여 도로에 적용시킬 수 있지만, 로드셀과 같은 경우에는 도로 바 닥면에 설치되어 있기 때문에 도로 위를 지나가는 물체의 무게를 감지하여 차량인지를 확인할 수 있는 기능을 갖추고 있지만 이를 이 연구의 가로등시스템과 같이 모든 도로마다 설치하는 부분에 있 어서 경제적인 문제가 있기 때문에 사실상 불가하다. 따라서 위 연 구에서 제시한 초음파센서를 보다 향상된 성능으로 개량하고, 이를 이용하여 물체의 속도를 측정하거나 물체의 크기를 측정하여 차량 인지를 알아내어 가로등시스템을 작동하게 한다면 실효성이 있을 것이라고 예상된다. 또한 현재 우리나라에서도 진행되고 있는 스마 트하이웨이 프로젝트에 하나의 기술로 적용한다면, 이 시스템의 실 용성과 효율성을 판단하여 실현가능성을 판단할 수 있을 것이다.
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