에너지 절감용 조명 및 공조기기 최적제어 시스템 개발
장우성*ㆍ송영석**ㆍ조병록***ㆍ조석환****
Development of Optimal Control System for Lighting and HVAC(Heating, Ventilation, Air Conditioning) Using Energy Saving
Woo-Sung Jang
*ㆍYeoung-Seok Song
**ㆍByung-Lok Cho
***ㆍSeok-Hwan Cho
****요 약
본 논문은 캠퍼스환경에서 에너지 절약을 위해 조명 및 공조기기의 최적제어 시스템 개발에 대한 연구이다.
본 연구를 통해 개발 된 제어 시스템의 경우 모션센서와 영상처리를 통해 출입 인원수 파악과 온/습도에 대한 정보로 조명과 에어컨을 제어한다. 또한 데이터 통합 모니터링과 제어 신호에 따른 명령 수행 기능을 통해 제어 한 결과들로 에너지 절약을 가능하도록 하였다.
ABSTRACT
This paper is a study on the development of optimal control system for lighting and air conditioning equipment to save the energy in campus environment. In the case of controling system developed through this research, lighting and air conditioner are controlled by both information on the number of people entering and leaving the room through the motion sensor and image processing, and the information on temperature and humidity. In addition, energy saving is enabled by the results that are controlled through data integration monitoring and command execution functions according to the control signals.
키워드
Energy Conservation, Optimal Control, Number Of People In The Zone, Integrated Monitoring 에너지 절약, 최적 제어, 인원 수 파악. 통합 모니터링
* 교신저자 : 순천대학교 전자공학과
** 순천대학교 전자공학과(sys900903@gmail.com)
*** 순천대학교 전기전자공학부(blcho@sunchon.ac.kr)
**** 엘시스 ICT 개발부(seokhwan@elsys.kr) ㆍ접 수 일 : 2018. 08. 03
ㆍ수정완료일 : 2018. 09. 08
ㆍReceived : Aug. 03, 2018, Revised : Sep. 08, 2018, Accepted : Oct. 15, 2018 ㆍCorresponding Author : Woo-Sung Jang
Dept. of electric engineering, Sunchon National University, Email : jws7810@naver.com
Ⅰ. 서 론
최근 에너지의 급격한 소비로 인해 환경문제가 발 생하고 있다. 따라서 온실가스로 인한 지구온난화와 이상기후가 전 지구적인 문제로 확대되어감에 따라
에너지 절약에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 에너
지 자원이 절대적으로 부족한 우리나라에서 전체 에
너지 소비량의 약 25% 이상을 차지하는 건물에너지
사용의 체계적인 관리가 매우 중요하다[1]. 이를 해결
하기 위해 자동화 및 자동제어시스템에 대한 연구와
http://dx.doi.org/10.13067/JKIECS.2018.13.5.1029
계발이 활발히 이루어지고 있다. 이러한 자동제어 시 스템이 다양한 산업 분야 및 우리의 실생활에 널리 사용되고 있다. 특히 우리가 쉽게 접할 수 있는 사무 실 제어는 사무실의 전등 및 에어컨 등과 같은 제품 의 전반을 손쉽게 켜고 끌 수 있는 자동제어시스템의 편리성에 중점을 두고 있다[2-3]. 이 경우 전력의 ON/OFF와 상황에 따른 대처를 사람들이 직접해야한 다는 점이 있는데 모든 사람들이 사무실 외출 시 전 등을 끄지 않고 나갔을 경우 누군가가 확인해서 꺼 야 하는데 이 상황을 인지하지 못 할 경우 계속해서
무의미한 전력낭비로 이어진다는 문제점이 있다.
따라서 본 연구에서는 이러한 문제점 및 에너지 절 감을 위해 조도 및 출입인원을 파악하여 제공된 정보 를 통해 조명 및 공조기기 제어를 하여 온/습도를 상 황에 맞게 제어함으로서 에너지를 절약하는 연구가 필요하다.
본 연구는 Ⅱ장에서 센싱 데이터 기반 조명. 에어 컨 최적제어 시스템 구축 개발을 제안하고 Ⅲ장에서 결론을 맺는다.
그림 1. 센싱 데이터 기반 조명/에어컨 최적제어 시스템 구성도
Fig. 1 A schematic diagram of lighting/air conditioning control system based on sensing data
Ⅱ. 센싱 데이터 기반 조명/에어컨 최적제어 시스템 구축
그림 1은 센싱 데이터 기반 조명/에어컨 최적제어 시스템 구성도를 나타낸 것이다. 모션센서를 통해 재 실유무를 판단하고 데이터 처리 모듈과 카메라를 통 해 출입 인원을 파악한다. 또한 온습도센서를 장착하 여 제공된 정보를 통해 조명과 에어컨을 제어한다.
2.1 재실감지를 위한 모션센서 개발
그림 2의 경우 재실감지를 위한 모션센서 하드웨어 의 회로도 및 실제 제작된 모습니다. 그림 3는 재실유 무에 따른 파형 분석으로 움직임 발생 시 생기는 파 형 변화이다. 기존 PIR(적외선 인체 감지형 센서)이나 초음파 물체 감지형 센서를 사용하지 않고, RF(
Radio Frequency) 센서를 이용하여 움직임을 감지하
는 센서를 개발하여 기존 센서가 가지고 있던 온도,
빛, 먼지 등의 주변 환경적인 요소에 의한 오동작을 최소화하고, 인원의 유무에 따라 LED의 밝기를 조절 하고 인원이 없을 경우 조명을 끔으로서 전력소비를 최소화하였다[4-5].
그림 2. 재실인원 감지 모션센서 회로도 및 보드 Fig. 2 In-room Human Detection Motion Sensor Circuit
Diagram and board
그림 3. 재실인원 감지 파형 분석 Fig. 3 Analyze real-person detection waveforms
2.2 출입 인원 파악 시스템 개발
출입 인원 파악 시스템 하드웨어의 경우 그림 4와 같이 데이터 처리 모듈과 카메라로 구성되어 있으며 외부에 별도의 전원 장치를 사용하는 방식으로 구성 하였다. 데이터 처리 모듈은 내부에 ARM 프로세서, CMOS 카메라 인터페이스 및 100M Ethernet 인터페 이스를 포함하고 있다. 그림 4에서 8M 픽셀 카메라는 정지영상 최대 3280x2464, 동영상 1080p 30프레임을 지원하지만 영상 데이터의 원활한 처리를 위하여
160x120에 30프레임으로 제한하였고 그림 4와 같이 돔 형태의 케이스에 포함시켰다. 그림 5는 소프트웨 어 및 알고리즘의 경우 크게 메모리 영역, 이미지 처 리 쓰레드, 모드버스 통신 쓰레드로 구분 되어 있고 이미지 프로세스 쓰레드는 내부에 포함된 필터를 이 용하여 영상 데이터 처리를 하고 메모리 영역의 UP_COUNT, DOWN_COUNT 메모리를 제어한다. 모 드버스 통신 쓰레드는 모드버스 마스터(클라이언트) 와 접속 후 데이터 전송 대기 상태를 해제하는 Blocking 방지 필터를 포함하고 있으며 모드 버스 통 신을 통하여 전송 되는 요청에 따라서 UP_COUNT, DOWN_COUNT 메모리의 초기화 및 시스템 재부팅 등의 명령을 수행한다[6-9].
그림 4. 출입 인원 파악 시스템 하드웨어 구조 및 보드
Fig. 4 Identification system hardware structure of
access personnel and board
그림 5. 구역 내 인원 분석 시스템 소프트웨어 구조 및 알고리즘
Fig. 5 Software structure and algorithms of personnel analysis systems in the zone area
2.3 센서 연계형 에어컨 최적제어 시스템 개발 그림 6은 에어컨 제어 시스템 구성도를 나타낸 것 이다. 기존 에어컨과 로컬 제어용 컨트롤러와의 통신 을 고려한 통신모듈을 개발하고 로컬 제어용 컨트롤 러와 환경 PMS와의 원활한 통신을 위해 Modbus TCP를 이용한 이더넷 통신을 통한 에어컨 제어 시스 템을 개발하였다.
그림 6. 에어컨 제어 시스템 구성도 Fig. 6 Configuration diagram of air conditioning control
system 2.4 LED조명 디밍 제어 시스템
그림 7은 LED조명의 디밍 제어 시스템의 동작을 나타낸 것이다. 그림 7에서 미들웨어에서 1~2초 내외 로 한 번씩 주기적으로 데이터를 수집하는 10초 이상 데이터가 들어오지 않을 경우 데이터를 초기화한다.
이때 온/습도 센서와 각각의 LED 컨트롤러의 데이터
를 RS-485통신을 통해 데이터를 전송하고 IoT
Node(Modbus Server) 즉, RTU를 통해 데이터를
Modbus TCP 형태로 변환하여 미들웨어에 저장을 한
다. 그 후 서버에서 데이터를 요청할 경우 이더넷 통
신을 이용하여 데이터를 보내고 서버에서는 전송된
데이터를 통해 명령을 내려 LED조명을 제어한다[10].
그림 7. LED조명 디밍 제어 시스템 동작 Fig. 7 Behavior of LED lighting dimming control system
2.5 LED조명 디밍기기 및 에어컨 관리용 환경 PMS 개발
환경 데이터 통합 모니터링 및 조명/공조기기 제어 용 PMS은 최고점 저하를 위한 에너지 사용 스케줄 링 및 환경 정보 기반 통합관리 기능을 구현하고, 환 경 PMS내 자체 알고리즘 및 제어기능을 내장하여 상 위 EMS의 제어 신호에 따른 명령 수행 기능을 개발 하였다. 그림 8과 그림 9는 환경설비 제어/모니터링 및 관리 ERD 설계와 환경 PMS 모니터링 화면이다.
그림 8. 환경PMS 설비 제어 및 모니터링 ERD Fig. 8 Environment PMS facility control and monitoring
ERD
그림 9. 환경PMS 모니터링 화면 Fig. 9 Environment PMS monitoring screen
Ⅲ. 결론
본 연구에서 제안한 개발로 에너지 절약을 위해 출 입 인원 파악을 하고 공간 내에 곳곳에 모션센서와 온/습도 센서를 설치하고 이를 통해 수집 된 정보를 토대로 실내의 조명과 온/습도 제어가 가능하게 되었 다. 또한 제어한 정보를 토대로 실시간으로 제어가 가 능 할 뿐만 아니라 상황별, 시간별 정보를 추가로 얻 어 그에 따른 정보를 통해 미리 대비가 가능하다. 또 한 본 연구에서 구축한 시스템의 사용 시간과 기간이 늘어 갈수록 더욱 정확하고 많은 정보를 축적하여 여 러 상황에 따른 대처방한 또한 늘어나게 됨으로서 불 필요한 에너지 소비를 막아 에너지 절약에 있어 매우 효과적일 것이다.
감사의 글
본 연구는 한국전력공사의 공동연구과제(Smart Campus 구축을 통한 에너지 신사업 실증) 수행 에 따른 연구결과물입니다.
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저자 소개
장우성(Woo-Sung Jang)
2017년 순천대학교 전자공학과 졸업(공학사)
2017년~현재 순천대학교 대학원 전자학과 석사과정
※ 관심분야 : 통신시스템 및 마이크로파, 전기제 어와 로봇시스템, 회로시스템 및 반도체소자
송영석(Yeoung-Seok Song)
2015년 순천대학교 전자공학과 졸업(공학사)
2015년~2017년 순천대학교 대학 원 전자학과 석사수료
※ 관심분야 : 유ㆍ무선통신시스템, 회로시스템 및 미들웨어, 영상처리
조병록(Byung-Lok Cho)
1987년 성균관대학교 전자공학과 졸업(공학사)
1990년 성균관대학교 대학원 전 자공학과 졸업(공학석사)
1994년 성균관대학교 대학원 전자공학과 졸업 (공학박사)
19940년 ∼현재 순천대학교 전기전자공학부 교수
※ 관심분야 : 사물인터넷, 무선통신
조석환(Seok-Hwan Cho)
