Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 18, No. 11 pp. 72-77, 2017 https://doi.org/10.5762/kais.2017.18.11.72 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 무선통신과스마트폰을이용한 LED 색온도제어조명시스템에관한연구 홍영진 1, 임순자 1, 이완범 2* 1 원광대학교전자공학과, 2 원광대학교컴퓨터 소프트웨어공학과 A study on lighting system for LED color temperature control using wireless communication and smartphone Young-Jin Hong 1, Soon-Ja Lim 1, Wan-Bum Lee 2* 1 Department of Electronic Engineering, Wonkwang University 2 Deptartment of Computer Software Engineering, Wonkwang University 요약현대사회에서조명은인간중심적인자연조명의변화를연출하고에너지소비절감과효율적인관리를위하여 IT 기술과 LED를결합한형태로개발되고있다. 따라서본논문에서는 Arduino Due 와 Bluetooth 및 Zigbee 무선통신기술을이용하여 3000K Warm LED 와 6000K Cool LED 로구성된 LED 조명의색온도및밝기를제어할수있는 LED 조명제어시스템을제안하였다. Arduino Due는 Duty rate을조절하여조명의색온도를여러단계로조절할수있도록하였고, 1:N 다중통신이가능한 Zigbee 통신을이용하여많은조명을제어할수있도록하였다. 그리고 Bluetooth 통신을이용하여스마트폰어플리케이션으로 LED 조명을손쉽게제어할수있도록하여사용자의편리성을증대시켰다. 본논문에서구현한무선통신기반의 LED 조명제어시스템은 3067K 5960K의다양한색온도제어와조도제어를통하여인간중심적인조명을연출할수있을뿐만아니라소비전력을줄일수있어자연친화적인조명시스템으로활용될수있을것으로사료된다. Abstract Lighting systems in modern society has been developed using a combination of IT technology and LED lighting for the purpose of bringing aboutchanges in human-centered natural lighting and to take advantage ofthe efficient management and energy saving of LED lighting. In this paper, we propose an LED lighting control system that can control the color temperature and brightness of LED lighting composed of 3000K Warm LEDs and 6000K Cool LEDs by using an Arduino Due and wireless communication technology such as Bluetooth and Zigbee. The Arduino Due allows the color temperature of the lighting to be adjustedin several steps by controlling the duty rate and enables many lights to be controlledusing Zigbee communication capable of 1: N multiple communication. By using Bluetooth communication, it is possible to easily control the LED lighting by means of a smartphone application, thereby enhancing the convenience for the user. The wireless communication based LED lighting control system implemented in this studycannot only provide human-centered lighting through its color temperature control from 3067K to 5960K and illumination control, but can also reduce the power consumption and be used as a natural-friendly lighting system. Keywords : LED lighting, Color temperature, Bluetooth, Zigbee, LED lighting control system, Smartphone APP 본논문은 2017년도원광대학교교비지원으로수행되었음. * Corresponding Author : Wan-Bum Lee(Wonkwang Univ.) Tel: +82-63-850-6877 email: lwbwon@wku.ac.kr Received August 30, 2017 Accepted November 3, 2017 Revised September 26, 2017 Published November 30, 2017 72
무선통신과스마트폰을이용한 LED 색온도제어조명시스템에관한연구 1. 서론현대사회에서가장큰에너지원으로사용되고있는화석연료는한정적이면서환경오염의주요요인으로작용되고있다. 그래서전세계적으로화석연료를대체할수있는신재생에너지개발뿐만아니라화석연료사용을줄일수있는에너지절약시스템에대한연구가활발하게진행되고있는실정이다. 현재조명의에너지소비량은세계에너지총소비량의 15% 를차지하고있으며, 전체온실가스배출량의 5% 를차지하고있다. 따라서에너지소비량을절감시키고온실가스배출량을최소화할수있는새로운조명시스템에대한연구가활발히진행되고있다. LED 조명은수은증기나인 (P) 과같은유해한물질을사용하지않아친환경적이기때문에각종환경규제및기후변화협약에대응이가능하며, 기존조명보다에너지효율이몇배이상높다는장점을가지고있다. 하지만판매가격이다른조명보다높아보급이지연되고있었다. 그러나생산기술발전으로인해 LED 가격이하락하게되어 LED 조명의사용량이급증하고있다.[1] 과거사회의조명은단순히어둠을밝혀주거나어떤주요신호를알려주기위한용도로만사용되었지만현대사회에서는기존조명이가지고있는기능보다인간중심적인자연조명의변화를연출할수있는조명을원하고있다.[2] 따라서본논문에서는활용이용이한 Bluetooth 통신기술과노드확장성이유리한 Zigbee 통신기술을이용한안드로이드기반의 LED 조명제어시스템을구현하였다. 구현된안드로이드기반의 LED 조명제어시스템은무선으로조명제어가가능하고스마트폰어플리케이션을이용하여 LED 조명의색온도를제어할수있도록하였다. 2. 스마트 LED 조명시스템사회가발전함에따라조명의활용은극대화되고있으며이로인하여발생되는에너지소비량도증가하고있다. 그래서조명기기의에너지절감및효율을극대화하기위하여기존조명기기에 IT기술을융합한스마트 LED 조명시스템이부각되고있는실정이다. 스마트 LED 조명시스템은조명방식의효율성과사용자의편리성을확보하기위해통신과센서네트워크기술을융 합하는형태로발전하고있다. 즉기존조명에비하여에너지효율을높이고소비전력을줄일수있을뿐만아니라, 색온도제어, 연색성향상, 다양한배광표현및감성조명등인간친화적인형태로개발되고있다.[2-4] 따라서본논문에서는안드로이드기반스마트폰과무선통신기술을이용하여 LED 조명의색온도를제어할수있는조명시스템을개발하고자하였다. 2.1 Bluetooth Bluetooth 통신기술은소형, 저가이고저전력소모로송 수신기를모바일디바이스에직접장착하거나어댑터를통하여간편하게무선네트워크환경을구축하고제공해주는하나의기술적인규격사양이다. Bluetooth 통신은전역주파수대역인 2.45Ghz를이용하고 721kbps 데이터전송속도, 3개의음성채널을지원한다. 도달거리측면에서 Bluetooth는 In Room( 사무실, 회의실, 가정 ) 과 Personal( 사용주주변 ) 공간내에서지원하도록개발되었다. 또한사용자요구에따라다양한거리를지원하는장치들과 10m 반경내에서정보교환능력을갖는다. 그리고 Data Access Point로강력한전송수단 (+20 db정도 ) 과감도좋은수신단 (-90 db 정도 ) 을사용한다면개방된공간에서 100m까지도지원된다 [3]. 본논문에서는비교적쉽고간편하게활용할수있는 Bluetooth 통신방식과안드로이드기반의어플리케이션을개발하여사용자가쉽게스마트폰으로다운로드하여 LED 조명을제어할수있도록하였다. 2.2 Zigbee Zigbee 통신은저전력무선통신기술로서간소화된프로토콜과제한적인기능으로데이터크기를줄여서저렴한네트워크구축을지원하는무선네트워크를위한국제표준프로토콜이다. Zigbee 통신은 IEEE 802.15.4 표준물리 (PHY) 계층과매체접근제어 (MAC) 계층을사용하며네트워크계층 (NWK) 과응용지원 (APS) 계층, 응용 (APL) 계층을규격화하였다. 주파수와데이터전송률은현재듀얼물리계층형태로주파수대역은 868/915Mhz, 2.4Ghz를사용하고있으며, 868MHz는유럽에서사용되며한개의채널이있고 915MHz 대역은 10개의채널을가지며미국과호주등에서사용되며, 2.4GHz는일본을비롯한전세계적으로사용되고있다. 저속 WPAN 규격인 IEEE 802.15.4는모니터링이나자 73
한국산학기술학회논문지제 18 권제 11 호, 2017 동화같은산업용제어, 재난발생인식이나위치추적등과같은재난관리분야를비롯한, 게임분야, 가전제품원격제어, 타이어압력센서와같은자동차분야등다양한분야에적용되어활용되고있는실정이다.[4] 무선통신기술중 Bluetooth의장점은손쉽게스마트폰과연결하여어플리케이션으로제어가가능하다는것이고, Zigbee의장점은노드확장성이 Bluetooth보다좋아다중연결이가능하다는것이다. 따라서본논문에서는사용의편리성과노드확장성을활용할수있도록 Bluetooth 통신과 Zigbee 통신기술모두를사용하였다. 2.3 안드로이드안드로이드는구글에서만든스마트폰운영체제이다. 휴대용단말기를위해만들어진운영체제이며, 다양한어플리케이션을만들어설치하면실행될수있도록구성된어플리케이션플랫폼이다. 안드로이드플랫폼의특징은첫번째로오픈소스운영체제인리눅스를기반으로하고있어다양한하드웨어에새로운기능을부여하기가용이하다. 두번째로응용소프트웨어작업환경은자바언어를사용하며시스템자원및각종장치를운용하는리눅스커널위에안드로이드어플리케이션을실행하기위한자바가상머신이탑재된다. 세번째로구글의다양한인터넷서비스를직접이용할수있는 API를갖추고있다. 안드로이드어플리케이션 API는모두자바클래스로제공되며, 구글의웹 API와기능과형식이비슷하다. 그림 1은안드로이드어플리케이션개발환경을나타내고있으며 JDK, 안드로이드스튜디오, 안드로이드 SDK의설치가필요하다. JDK는오라클에서무료로배포하고있으며자바어플리케이션의컴파일및실행을지원한다. 안드로이드스튜디오는자바기반의확장가능한개발도구를제작하는플랫폼이다. 자바개발도구를포함한표준플러그인이미리포함되어있다. 안드로이드 SDK는어플리케이션개발을위한에뮬레이터, API, 디버깅도구, 안드로이드문서, 샘플프로그램등을제공하는도구를의미한다 [5]. 3. LED 색온도제어시스템구현 3.1 색온도와인간의감성 색온도는광원으로부터방사되는색도를표현하기위해사용되는것으로절대온도를이용하여수치적으로표시한것이다. 모든빛을흡수하는흑체를가열하여흑체가방출하는빛의색은복사법칙에의하여온도에따라서정해진다. 어떤물체가가시광선을내며빛나고있을때그색이특정온도의흑체가복사하는색과같을경우흑체의온도와물체의온도가같다고보고그온도를물체의색온도 ( 단위 :K) 라고한다. Table 1. Color Temperature Table Color Color Temperature Type of Light Source 1000-1900k Candlelight 2000-3000k At Sunrise or Sunset 2600-3000k Incandescent Bulbs 2700-3200k Warm White LED 3000-3200k Halogen Lamps 3200-3700k Fluorescent Lights 4000-4500k Natural White LED 4800-5500k Mid-day Sunlight 5500-6000k Day White LED 6000-7500k Overcast Sky 7000-7500k Cool White LED 8000-10000k Partly Cloudy Sky up to 10000k Clear Blue Sky Fig. 1. Android Development Environment 모든빛은색온도를가지고있고색온도가높아질수록에너지가상대적으로더높은푸른색파장의구성비율이증가하여차갑게나타나고반대로색온도가낮아지면붉은색파장의구성비율이증가하여따듯하게나타나게된다 [7]. 표 1은물체에서방사하는색에따른색온도표를나타내고있다. 새벽에는 1,900K의양초의광 74
무선통신과스마트폰을이용한 LED 색온도제어조명시스템에관한연구 색과비슷하게붉고색온도가낮다. 시간이지남에따라빛의색온도는높아지는데태양이뜰무렵에는 2,000K 의색온도를가지며, 정오가되면약 5,000K의색온도를갖는다. 여름철의직사광은 5,700K, 흐린날은 8,000K, 청명한날씨에는 10,000K 이상의색온도를가진다. 인공광의색온도도광원에따라다르게나타난다. 백열전구는 2,600 3,000K, 따뜻한백색 LED는 2,700 3,200K, 할로겐램프는 3,000 3,200K, 차가운백색 LED는 7,000 7,500K이다. 과거조명에대한연구는대부분빛의밝기에해당하는연구로매우한정적이었다. 하지만 LED 조명이등장하면서단순히어둠을밝혀주거나어떤신호를알려주는통신기능이아닌인간의감성관련심리학적연구가진행되고있다. 인간은빛의광학적특성인색온도, 연색지수, 분광분포에따라생리적으로영향을받으며, 뇌파및심전도와같은실험측정을통하여생리적인효과에대해증명되었다 [6-7]. 따라서본논문에서는상황에따라색온도를연출할수있는조명제어시스템을제안하였다. 3은제안된 LED 조명제어시스템에사용된 LED 모듈을나타내고있으며 3000K White 24개, 6000K White 24개총48개로구성하였다. Fig. 3. LED Module 3.3 안드로이드제어회로설계스마트폰으로손쉽게제어할수있도록하기위하여스마트폰, Zigbee, Bluetooth, Arduino Due 등을사용하였다. 그림 4는안드로이드제어블록도를나타낸것이다. 3.2 LED 조명제어회로설계 LED 조명제어를하기위하여 LED, Zigbee, Arduino Due[8] 등을사용하였다. 그림 3은제안된 LED 조명제어블록도를나타내고있다. Fig. 4. Android Control Block Diagram 사용자가스마트폰에서어플리케이션으로제어신호를보내면 Bluetooth 통신을사용하여 Arduino Due와데이터송 수신을하게된다. 그리고스마트폰에서받은데이터를 Arduino Due에서다시 Zigbee 통신을사용하여조명제어모듈에데이터를보내원하는색온도및밝기를연출할수있도록하였다. Fig. 2. LED Lighting Control Block Diagram 안드로이드제어모듈에서제어신호를보내면 Zigbee 통신을사용하여 Arduino Due와데이터송 수신을하게된다. 안드로이드제어모듈에서받은데이터를 Arduino Due에서연산을통하여 PWM 제어신호를 LED 드라이버로출력하게되고, LED 드라이버에서는입력받은 PWM 신호에따라서 LED 조명를제어하게된다. 그림 4. 제안된 LED 조명제어시스템의실험및분석 본논문에서제안된 LED 조명제어시스템은그림 5 와같다. LED 조명제어부분과안드로이드제어모듈부분으로구현하여실험및검증을수행하였다. 실험은실내에서이루어졌으며, 안드로이드용휴대폰 1대, 안드로이드제어모듈 1대, LED 조명제어모듈 1대를사용하여실험하였다. 75
한국산학기술학회논문지제 18 권제 11 호, 2017 그림 7은제안된 LED 조명제어시스템으로 Duty rate을가변시켰을때색온도변화를측정한결과를나타내고있다. (a) Fig. 5. Proposed LED Lighting Control System (a) Android control module (b) LED lighting control module (b) (a) (b) (c) Fig. 7. Proposed LED Lighting Control System (a) Cool:100%, Warm:0% (b) Cool:0%, Warm:100% (c) Cool:20%, Warm:40% 그림 7의 (a) 사진은 Cool LED의 Duty rate이 100%, Warm LED의 Duty rate이 0% 이었을때색온도로 5960K 이었다. (b) 사진은 Cool LED의 Duty rate이 0%, Warm LED의 Duty rate이 100% 일때색온도로 3072K 이었다. (c) 사진은 Cool LED의 Duty rate이 20%, Warm LED의 Duty rate이 40% 일때색온도로 3633K 이었다. 측정결과 3067 5960K의색온도변화가이루어짐을확인할수있었다. Fig. 6. LED lighting control circuit flowchart 그림 6은 LED 조명제어회로의동작순서도를나타내고있다. 처음에스마트폰에서데이터값을 Bluetooth 통신을통해 Arduino Due(Matser 모드 ) 에전송하면데이터를수신후다시동일한데이터를 Zigbee 통신을통해 Arduino Due (Slave 모드 ) 로전송해준다. Arduino Due(Slave 모드 ) 는수신된데이터를이용하여 LED 색온도를제어한다. 또한현재의 Duty rate를다시스마트폰으로전송해준다. 스마트폰에서는최종적으로현재의 Duty rate를확인할수있다. 색온도의변화는 3000K Warm White LED 와 6000K Cool White LED의 Duty rate를 20% 비율로제어하였다. 5. 결론현대사회에서조명은어둠을밝혀주는기존조명의기능뿐만아니라인간중심적인자연조명의변화를연출할수있는형태로발전하고있다. 따라서본논문에서는안드로이드기반의어플리케이션과 Bluetooth 통신및 Zigbee 통신을이용하여사용자의편리성과효율성을극대화할수있는 LED 조명제어시스템을구현하였다. 구현된 LED 조명제어시스템은 Arduino Due와 LED 드라이버 AMC7150을이용하여조명의밝기제어뿐만아니라다양한색온도를표현할수있도록하였다. 색온도변화를측정하기위하여 3000K White LED 와 6000K White LED를사용하였으며 Duty rate를 20% 비율로제어하여 3067 5960K의색온도변화와조도 76
무선통신과스마트폰을이용한 LED 색온도제어조명시스템에관한연구 및소비전력의변화를확인할수있었다. 또한사용자의편리성을증대시킬수있는 Bluetooth 통신과노드확장성이유리한 Zigbee 통신을같이활용함으로써많은수의조명을손쉽게제어할수있도록하였다. 따라서본논문에서제안된 LED 조명제어시스템은다양한색온도제어와밝기제어를통하여인간중심적인조명을연출할수있을뿐만아니라소비전력을줄일수있어자연친화적인조명시스템으로활용될수있을것으로사료된다. 홍영진 (Yonug-Jin Hong) [ 준회원 ] 2015 년 2 월 : 원광대학교전자공학과졸업 ( 공학사 ) 2017 년 2 월 : 원광대학교대학원전자공학과졸업 ( 공학석사 ) References < 관심분야 > 임베디드시스템, 회로및시스템, 광센서 [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] H. Kim, M. W. LEE, "IT Convergence Smart lighting technology", Journal of The Korean Institute of Communication Sciences, vol. 28, no. 5, pp. 10-14, Apr. 2011. [3] W. B. Lee, "Development of Wireless Control System for High Power LED Luminaire Using Bluetooth Wireless Communication and Current Control System", Journal of KAIS, vol. 17, no. 3, pp. 66-72, Mar, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/kais.2016.17.3.66 [4] Y. H. Jang, H. Y. Kim, "Implementation of a LED light control module using Zigbee", Journal of KAIS, vol. 13, no. 10, pp. 4740-4744, Oct. 2012. DOI: https://doi.org/10.5762/kais.2012.13.10.4740 [5] J. N. Woo, G. S. Park, "Android Programming", Published by HANBIT Academy, Inc. 2017. [6] B. G. Lee, S. K. Hur, C. W. Yi, "A study on sensitivity criteria of the LED lighting with a focus on preference evaluation of Color temperature", Proceedings of KIIEE Annual Conference, pp. 53-56, Nov. 2011. [7] S. D. Jee, S. H. Lee, K. J. Choi, J. K. Park, C. H. Kim, "Sensibility Evaluation on the Correlated Color Temperature in White LED Lighting", Journal of KIIEE, vol. 22, no. 4, pp. 1-12, Apr. 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.5207/jieie.2008.22.4.001 [8] https://www.arduino.cc 임순자 (Soon-Ja Lim) [ 정회원 ] 2001 년 8 월 : 원광대학교대학원전자공학과 ( 공학박사 ) 2011 년 9 월 ~ 현재 : 원광대학교전자공학과교수 < 관심분야 > Emnbedded System, 사물인터넷 (IoT) 응용 이완범 (Wan-Bum Lee) [ 정회원 ] 1997년 8월 : 원광대학교전자공학과 ( 공학석사 ) 2004년 8월 : 원광대학교전자공학과 ( 공학박사 ) 2017년 2월 : 원광대학교전자공학과겸임교수 2017년 2월 : ( 주 ) 탑엘이디기업부설연구소연구소장 2017년 3월 현재 : 원광대학교컴퓨터 소프트웨어공학과조교수 < 관심분야 > 임베디드시스템, 신호처리및회로설계, LED 조명제어 77