Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 17, No. 4 pp. 632-637, 2016 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2016.17.4.632 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 GPS 위성통신과아두이노를이용한에너지절약형 LED 가로등제어시스템개발에관한연구 이완범 1* 1 ( 주 ) 탑엘이디기업부설연구소 Study on the Development of LED streetlight control system using GPS satellite communication and Arduino Wan-Bum Lee 1* 1 Research Institute of Top LED Incorporated 요약가로등조명의점멸시스템은효율적인관리와에너지절감을위하여 IT 기술과 LED 조명을결합한형태로발전되고있다. 따라서본논문에서는 GPS 위성통신과마이크로프로세서가내장된아두이노를이용하여 LED 가로등기구의사용전력을제어할수있는시스템을제안하였다. 제안된 LED 가로등조명제어회로는 GPS를이용하기위한통신제어부와트랜지스터, 저항및정전류공급회로를이용하여전류를제어할수있는부분으로설계하였고실험을통하여정상적으로동작함을확인하였다. 개발된제어시스템은 GPS를이용하여계절과위치에따른정확한시간을추출하고, 추출된시간에따라 LED 가로등에공급되는전류를단계적으로제어하여소비전력을 11% 이상줄일수있도록하였다. 따라서교통량이적은시간과지역에가로등의밝기를그대로유지하여발생되는비효율적인에너지관리를개선하고, 에너지절약을위해사용하는가로등격등방식과편등방식에따른안전사고발생을방지할수있을것으로사료된다. Abstract A streetlight control system was developed using information technology and LED lights for efficient management and energy savings. The proposed system can control the power usage of an LED streetlight luminaire using GPS satellite communication and an Arduino with a built-in microprocessor. A control circuit was designed to control the current using GPS, a control unit, transistor, resistor, and constant-current supply circuit. The circuit was validated through experiments with normal operation. Using GPS, the control system extracts accurate time and location information according to the season, and it controls the current supplied to the LED streetlight according to the extracted time. Power consumption was reduced by more than 11%. The control system could reduce accidents caused by conventional lighting systems used to save energy, and it could improve the inefficient management of energy by preserving constant brightness of a streetlight at times and in areas that have less traffic. Keywords : LED Streetlight, GPS Communication, NMEA, LED Lighting Control System, Arduino 1. 서론기존의실내외조명용광원으로주로이용되는형광등, 백열등및방전등의경우전력소비가많고수은증기나인 (P) 과같은유해한물질로인하여환경오염및인체에도악영향을일으키는등의여러문제가발생되어 전세계적으로정책적규제의대상이되고있다. 하지만 LED 조명산업은친환경녹색산업이며전기에너지절감효과가우수한특성을가지고있어세계주요국가들이적극적으로 LED 조명개발및보급에앞장서고있다.[1-2] 현재국내에서추진하고있는 2020년까지공공조명의 100%, 전체조명의 60% 를 LED 조명으로교체 * Corresponding Author : Wan-Bum Lee(Research Institute of Top LED Inc.) Tel: +82-63-855-5510 email: lwtiger@naver.com Received March 4, 2016 Accepted April 7, 2016 Revised (1st March 15, 2016, 2nd March 21, 2016) Published April 30, 2016 632
GPS 위성통신과아두이노를이용한에너지절약형 LED 가로등제어시스템개발에관한연구 한다는내용을골자로한 LED 조명 2060 계획 을기반으로 LED 조명보급활성화에앞장서고있다. 지식경제부의발표에의하면세계조명효율을 25% 향상시킬경우연간 2,500억 KWh의전력이감소되고 1억 5,000톤의이산화탄소 (CO₂) 가저감되는것으로나타나환경과조명효율향상을위해 LED 조명기술개발이더욱활발히전개될것으로전망된다.[3] 특히많은전력을소비하는가로등조명을 LED 조명으로대체하고 IT 기술을접목한다면에너지절감및효율을극대화시킬수있을것이다.[4] 따라서본논문에서는기존의 LED 가로등에 GPS 통신과마이크로프로세서기술을이용하여에너지를절약할수있는 LED 가로등조명제어시스템을제안하였다. 출 15분전소등이된다. 이시간에사람들이가장어둡게느끼고많은교통사고가나는것으로알려져있다. 이러한사고를줄이기위해서가로등의밝기를최대로유지해야하고, 반면에교통량이없는심야시간에는교통량이거의없음에도불구하고가로등을밝게유지하여에너지낭비를초래하고있다. 또한에너지절약을위하여가로등격등제및편측점등실시로음영부분이증가하고이로인한교통사고와안전사고발생이증가고있다. 따라서본논문에서는이러한문제점들을개선하기위해 GPS 수신기를이용하여계절별정확한시간정보를추출하고추출된정보로 LED 가로등을디밍제어하는시스템을아두이노를이용하여구현하였고동작을검증하였다. 2. LED 조명제어시스템스마트 LED 조명제어시스템은 Fig. 1과같이 IT 기술, 즉센서및통신기술과 LED 조명을조합한형태로기존광원에비해고효율및저전력화를이룰수있을뿐만아니라, 다양한구조및배광표현, 감성조명, 광색가변, 연색성향상등의장점들가지고있다. 또한사용자요구환경에부합되는콘텐츠가내장된다기능솔루션을갖추어산업간, 기술융합시스템으로발전해나가고있다. 3. LED 가로등조명제어시스템구현및동작본연구에서구현하고자하는에너지절약형 LED 가로등조명제어시스템은 Fig. 2와같이크게 4부분으로구성되어있다. Fig. 2. Proposed LED street light control system Fig. 1. Structure of LED lighting system 특히많은전력을소비하는가로등에이러한 LED 조명제어시스템을적용한다면에너지사용효율을극대화할수있다.[4-5] 현재전국의가로등을켜고끄는시간은대체적로비슷하다. 보통일몰후 15분뒤에가로등이점등하고, 일 첫번째부분은 LED 가로등밝기제어에사용되는시각정보를정확하게얻기위해필요한 GPS 수신모듈, 두번째부분은 LED 가로등에전류를단계별가변적으로공급하는 Driver (SMPS) 와전류제어회로부분, 세번째부분은공급전류에따라밝기가조절되는 LED 가로등기구, 마지막으로시스템전체를관리하고제어하는 Controller(Arduino) 부분으로구성되어있다. 3.1 아두이노 (Arduino) 아두이노 (Arduino) 는오픈소스기반으로개발가능한도구및환경으로단일보드마이크로컨트롤러를뜻한다. 자바를기반으로개발환경이구축되어있고 Windows, Mac OS X, Linux에서 Arduino Software(IDE) 를통해 633
한국산학기술학회논문지제 17 권제 4 호, 2016 쉽게코드를개발하고보드에적용할수있다. 아두이노의장점은저렴한비용, 오픈소스기반, 확장가능한 S/W와 H/W 기능을가지고있으며, Windows를비롯한다양한 OS를지원하는크로스- 플랫폼개발환경을지원한다는것이다. 특히, 컴파일된펌웨어를 USB를통해업로드할수있는편리성으로마이크로컨트롤러를손쉽게동작시킬수있다는장점을가지고있다. 이러한장점때문에 IoT, 3D 프린팅, 임베디드시스템등다양한곳에서개발시스템으로응용되고있다.[6-7] 따라서본논문에서는이러한아두이노를이용하여에너지를절약할수있는 LED 가로등시스템을제어관리할수있도록하였다. 즉 GPS 수시모듈을제어하고수신된데이터정보를분석하여 LED 가로등밝기제어에필요한시간정보를추출하였다. 그리고추출된시각정보를이용하여 LED 가로등에공급되는전류를시간에따라조정할수있도록구동회로와전류공급회로를제어하였다. 이러한제어시스템을이용하여교통량이적은심야시간에 LED 가로등밝기를조정하여전기에너지를절약할수있도록하였다. 3.2 GPS를이용한가로등제어정보추출 GPS(Global Positioning System) 수신기가제공하는문자열은 NMEA(National Marine Elec- tronics Association) 라는통신규약에의한포맷을갖고있으며, 사용자의단말기에서 GPS 위성에서제공된텍스트를분석함으로써신호의강도, 자신의위치, 속도, 시간등다양한정보를얻을수있다. NMEA는해양관련장비의인터페이스프로토콜의표준으로사용되고있으며, GPS장치에있어서도이 NMEA 0183 프로토콜이국제표준으로되어있다.[8-9] 그래서대다수의 GPS 장치들이이 NMEA 0183 인터페이스를지원하고있다. Fig. 3는 NEMA 프로토콜을사용하고있는 GPS 수신기를나타내고있다. GPS 수신기를데이터처리가가능한다른장비와연결하고인터페이스프로토콜을 NMEA로설정해주면, NMEA Sentence들을입력으로받을수있다. APRS를운용하는무선국에서는 GPS로부터 NMEA 0183 프로토콜에의해정보를받아, 무선으로전송해주게된다. 주로이용되는 NMEA Sentence 는 $GPGGA, $GPRMC 등이이용된다. Fig. 4은 GPS 수신기와아두이노를연결하여수신된 NMEA Sentence 전체를나타내고있다. Fig. 3. Structure of GPS Receiver Module Fig. 4. Structure of Received NMEA Sentence Fig. 4에서볼수있듯이 NMEA Sentence는 $ 로시작되어, 가운데부분에정보를담고, [CR] [LF] 로끝이난다. 그리고이런구조를가진정보가주기적으로출력되도록되어있다. Fig. 5. $GPGGA Data among NMEA Sentence NMEA Sentence는수신기의종류및현재기능에따라조금씩다르게출력된다. 본논문에서는 LED 가로등제어에필요한시간및위치정보를얻기위하여 634
GPS 위성통신과 아두이노를 이용한 에너지 절약형 LED 가로등 제어 시스템 개발에 관한 연구 NMEA Sentence 중 $GPGGA를 이용하였다. 따라서 수 제안된 시스템은 시간에 따른 LED 가로등의 공급 전 신된 정보 중 $GPGGA 정보만을 추출하고 시간정보를 류를 가변적으로 조절할 수 있도록 SMPS의 출력 부분 분석할 수 있도록 프로그램을 설계하였고 Fig. 5와 같이 을 트랜지스터와 저항을 이용하여 설계 구현하였다. 정확히 추출됨을 확인하였다. LED 가로등 밝기 제어에 필요한 정확한 시간 정보를 얻 그리고 $GPGGA 문장에 포함되어 있는 정보, 기위해 NMEA 0183 프로토콜을 사용하는 GPS 수신기 $GPGGA,072838.0000,3508.7959,N,12902.2005,E,1,0 를 사용하였다. 그리고 아두이노를 이용하여 NMEA 5,2.1,147.0,M,25.3,M,,0000*59"를 분석하여 Table 1에 Sentence를 분석하고 SMPS와 트랜지스터, 저항으로 구 나타내었다. 성된 전류공급부분을 관리하고 제어할 수 있도록 하였으 며, 3단계로 전류를 공급할 수 있도록 하였다. 테스트 보 Table 1. Information of $GPGGA Data Contents $GPGGA 3508.7959 Explanation GGA Sentence Current Time 07 : 28 : 38 35.087959 N North Latitude 072838.000 12902.2005 12.9022005 E East Longitude 드를 Fig. 7와 같이 구현하여 동작 확인 및 검증을 수행 Remarks GP(Sign of Disticntion) GMT KST : GMT+9 Latitude North Latitude(N)South Latitude(S) Longitude East Longitude(E) West Longitude(W) 하였다. 따라서 본 논문에서는 Table 1과 같이 제공되는 위치 정보와 시간정보를 이용하여 지역과 시간에 따라 LED 가로등의 점등을 제어할 수 있는 시스템을 제안하였다. Fig. 7. Test Board of Proposed Control System 3.3 LED 가로등 전류 제어 회로 설계 현재 LED가로등이 점등되어 있는 시간은 지역과 계 4. 제안된 LED 가로등 조명 제어 절에 따라 다를 수 있다. 보통 낮 시간이 긴 여름철에는 시스템의 검증 및 결과 오후 19시부터 다음날 오전 5시까지 총 9시간동안 점등 되고, 겨울철에는 오후 18시부터 다음날 오전 7시까지 4.1 검증 방법 총 13시간동안 시간 및 교통량에 상관없이 항상 일정한 본 연구를 통하여 구현된 LED 전류제어 시스템을 등 밝기로 점등되어 있어 많은 양의 전력을 소비하고 있다. 기구에 장착하여 테스트를 수행 하였다. 먼저 테스트를 따라서 본 논문에서는 Fig. 6와 같이 LED 가로등의 수행하기 위하여 Fig. 8과 같이 모듈을 장착하고 각종 밝기를 조절할 수 있는 LED 전류제어 시스템을 설계하 계측 장비를 이용하여 측정을 하였다. 였다. Fig. 8. Verification Structure of LED Street Light Control System Fig. 6. Current Control Circuit using Transistor and Resistor 635
한국산학기술학회논문지제 17 권제 4 호, 2016 제안된 LED 가로등조명제어시스템검증에사용된구성모듈및계측장비는다음과같다. 1 전력량계 : LED 등기구의총소비전력을측정 2 멀티미터 : 공급되는전류를측정 3 LED 등기구 : 100W LED 가로등기구 4 SMPS : LED 등기구의전원공급장치 5 GPS 수신기 : 위치및시간정보수신 6 시스템제어모듈 : GPS 통신을통한정보추출및 LED 가로등공급전류제어 4.2 제안된제어시스템동작검증교통사고가많이발생하는일몰직후와일출직전시간, 교통량이많은지역및출퇴근시간에가로등을가장밝게유지하고교통량이적은지역및심야시간에는가로등밝기를 30% 감량함으로서전력소비를줄일수있도록시스템을설계하였다. 제안된시스템의단계별전류공급및전력소비량을 Fig. 9과같이 100W LED 가로등기구를기준으로측정하고가변됨을확인하였다. 실험을통하여측정된전류및소비전력의변화값은 Table 2 와같이점등초기와교통량이빈번한시간에 4.028A의전류가흘러 96.2W 전력을소비함을확인할수있었고, 교통량이거의없는시간에는 3.094A로 72W 의대기전력을소비함을확인하였다. Table 2. LED streetlight state according to control stage Lighting state Power Consumption Current 1 stage 96.20 W 4.028A 2 stage 84.59 W 3.573A 3 stage 72.86 W 3.094A LED 가로등이 10(19시 5 시 ) 시간기준으로상시점등되어있을때하고단계별점등했을때의소비전력을다음 Table 3과같이비교분석하였다. 결과적으로상시점등되어있을때보다약 11% 의전력소비를줄일수있음을확인하였다. Table 3. Compare proposed lighting system with conventional lighting system (a) Lighting state Power Consumption Lighting-u p time Total Power Consumption All Time Lighting 96.20 W 10h 30 28.86kWh 1 stage 96.20 W 4h 30 2 stage 84.59 W 3h 30 25.71kWh 3 stage 72.86 W 3h 30 5. 결론 (b) (c) Fig. 9. Measure for LED streetlight state acco- rding to stage. (a) 1 stage(4.02a), (b) 2 stage (3.573A), (c) 3 stage(3.094a) LED 가로등조명의제어시스템은효율적인관리와에너지절감을위하여 IT 기술과 LED 조명을결합한형태로발전되고있다. 따라서본논문에서는 GPS 수신기를이용하여가로등위치정보및계절별정확한시간정보를추출하고추출된정보로 LED 가로등을디밍제어하는시스템을아두이노를이용하여구현하였고동작을검증하였다. LED 가로등제어에필요한시간및위치정보를얻기위하여 GPS 모듈로수신된정보중 $GPGGA 정보만을추출하고위치와시간정보를획득할수있도록프로그램을설계하였고추출된시각정보를이용하여 LED 636
GPS 위성통신과아두이노를이용한에너지절약형 LED 가로등제어시스템개발에관한연구 가로등에공급되는전류를시간에따라조정할수있도록구동회로와전류공급회로를제어하였다. 이러한제어시스템을이용하여시간에따라단계적으로 LED 가로등밝기를조정하여 11% 의전기에너지를절약할수있음을실험을통하여확인하였다. 그리고제안된시스템은전류공급회로를변경하여단계별공급전류조절이가능하므로지역과시간에따라소비전력을 30% 이상줄일수있을것으로사료된다. References [1] S. B. Song, "The Trend and Prospect of Components Technologies for LED lighting", The Proceedings of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 29, No.2, pp. 22-34, Mar. 2015. [2] W. B. Lee, "Study on the Development of Large Capacity LED Streetlight Luminaire with adjustable Light Distribution Characteristic", Journal of KAIS. Vol. 16, No. 12, pp. 8901-8907, Dec, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/kais.2015.16.12.8901 [3] The Ministry of Knowledge Economy, "The Second leap Strategies of LED Indurstry, 2011. [4] H. S. Jeong, M. K. Hwang, LED System lighting Technology using wired and Wireless", Journal of KIIEE. Vol. 26, No. 1, pp. 33-40, Jan. 2012. [5] Y. Hu and M. M. Jovanović, "LED driver with self-adaptive drive voltage", IEEE Trans. on Power Electron., Vol. 23, pp. 3116, 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/tpel.2008.2004558 [6] Https://www.arduino.cc/ [7] https://ko.wikipedia.org/wiki/arduino [8] NMEA-0183(IEC61162-1), Standard for interfacing marine electronic devices, Ver 3.01, 2002. [9] S.H. Hong, S.R. Yang, S.R. Lee, "The Efficient Multimedia Data Transmission Using NMEA-0183", Journal of Advanced Navigation Tachnology, Vol.18, No. 2, pp. 121-127, Apr. 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.12673/jant.2014.18.2.121 이완범 (Wan-Bum Lee) [ 정회원 ] 1995 년 2 월 : 원광대학교전자공학과 ( 공학사 ) 1997 년 8 월 : 원광대학교전자공학과 ( 공학석사 ) 2004 년 8 월 : 원광대학교전자공학과 ( 공학박사 ) 2005 년 3 월 ~ 2014 년 2 월 : 중부대학교외래교수 2011 년 3 월 ~ 현재 : 원광대학교전자공학과겸임교수 2010 년 10 월 ~ 현재 : ( 주 ) 탑엘이디기업부설연구소연구소장 < 관심분야 > 통신시스템및회로설계, 신호처리, LED 조명제어 637