Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 16, No. 5 pp. 3385-3390, 2015 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2015.16.5.3385 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 스마트폰을이용한 LED 조명무선제어 신성휴 1*, 김환용 1 1 원광대학교전자공학과 Wireless LED lighting control using the SmartPhones Seong-Hyu Shin 1* and Hwan-Yong Kim 1 1 Dept. of Electronic Engineering, Wonkwang university 요약본논문에서는 LED 조명을효율적으로제어하기위한방안으로 ARM사에서개발한마이크로컨트롤러인 Cortex M3를사용하여구성하였다. 또한, 근거리무선통신을사용하여무선으로 LED조명을제어하기위하여 Bluetooth 통신방식을적용하여무선제어회로를구성하였다. 본논문에서는 LED조명제어회로를무선으로제어하기위하여누구나가지고있는스마트폰을가지고제어할수있도록안드로이드어플리케이션을설계하여안드로이드기반의스마트폰에서사용자가쉽게다운로드하여 LED조명제어회로를쉽게무선으로제어한다. 본논문에서구성한 Cortex M3를이용한 LED조명무선제어회로는실내및실외에적용할경우친환경적인기술이며, LED의효율을높이기위하여 LED드라이버를사용하여안정적인전압공급이이루어지게되어 LED조명의밝기가제어된다. Abstract In this paper, we constructed using a Cortex M3 microcontroller developed by ARM Inc. as a way to control the LED light more efficiently. And Using the short-range wireless communication by the Bluetooth communication method applied to control the LED light was configured to wirelessly control the wireless circuits. In this paper, users can easily download and easy to wirelessly control the LED lighting control circuit to design an Android application from Android-based smartphone so that you can control with your smartphone to have anyone to control the LED lighting control circuit wirelessly. If the LED lights radio control circuit is configured with the Cortex M3 in this paper is applicable to both indoor and outdoor and eco-friendly technology, is using LED driver to enhance the efficiency of the LED becomes stable voltage supply is made, the brightness of LED lighting control. Key Words : Bluetooth, Cortex M3, LED Lighting, PWM 본논문은 2013년도원광대학교교비지원에의해서수행됨. * Corresponding Author : Seong-Hyu Shin (Wonkwang Univ.) Tel: +82-010-8631-4475 email: shin4484@wonkwang.ac.kr Received February 26, 20154 Accepted May 7, 2015 1. 서론 LED 조명산업은향상된 LED 광소자를활용하여사람을대상으로한조명제품을생산하는산업으로써주거, 각종사물실의실내조명, 건축, 도로, 공원등실내외조명분야에형광등, 할로겐등을대체하여개발되고있다. LED 조명은에너지소비량을줄이고온실가스발생을최소화하기위하여기존의백열전구보다전력효율이높고친환경적으로 LED조명을이용하여다양하게활용 Revised March 31, 2015 Published May 31, 2015 되고있다 [1]. 본논문에서는 LED 조명을효율적으로제어하기위하여 ARM사에서개발한마이크로컨트롤러인 Cortex M3를사용하여 LED 조명회로를구성하였다. Cortex M3는스마트폰에내장되어있는 CPU와동일한 32bit 구조로되어있어제어하는데신뢰성이높고오차가줄어든다. 또한다양한 level로밝기를조절할수있으며, Red, Green, Blue LED를가지고여러가지색조합을표현할수있다. LED 조명제어회로는 LED 조명의밝 3385
한국산학기술학회논문지제 16 권제 5 호, 2015 기를일정하게유지시키기위하여 Cortex M3에서 PWM 신호를출력한다. 이 PWM신호는 LED 드라이버인 HV9910가입력신호로받아들인다. LED 드라이버로입력되는 PWM 신호에의해정전류제어방식을통하여 LED 밝기를유지함으로써, LED 조명의소비전력을효율적으로제어할수있게된다. 또한, 본논문에서는안드로이드를이용하여스마트폰 APP을설계하여 LED 조명제어회로와 Bluetooth 통신을함으로써, 무선으로 LED 조명을제어할수있다. 있으며 4 [MHz] 에서 16 [MHz] 까지의 crystal 외부 oscillator를장착할수있다. 또한내부의 8 [MHz] 및 40 [khz] 클럭을포함하고있으며, CPU clock을위한 PLL을내장하고있다 [3]. LED 드라이버로는 Supertex 사의 HV9910을사용하였다. HV9910은 Buck형컨버터구조로소형인덕터와외부스위치를사용한다. HV9910을사용한이유는 PWM신호를입력받을수있는단자가있기때문이다. 입력전압은 8Vdc 450Vdc까지동작한다 [4]. 그림 2는 HV9910의내부회로이다. 2. LED조명무선제어회로 2.1 LED조명제어회로본논문에서는 Cortex M3를이용하여 LED조명제어회로를구현하였다. 마이크로컨트롤러인 Cortex M3는 32 bit이며, 최대클럭주파수는 72[MHz] 이다. 메모리는 64 혹은 128 [Kbytes] 의 Flash memory를가지고있으며, 20 [Kbytes] 의 SRAM을내장하고있다 [2]. Fig. 2. HV9910 block diagram HV9910은 PWM신호를이용하여전원을제어하게되는데 PWM 신호는 Duty rate에의해출력되는전압을제어하게된다. 그림 3은 Cortex M3에서출력되는 PWM 신호파형이다. Fig. 1. Cortex M3 architecture 그림 1 은 Cortex M3 의구조이다. Cortex M3 는 GPIO 를 51 개가지고있고, 2 3.6 [V] 의동작전압을가지고 Fig. 3. PWM sinal waveform Which is output from Cortex M3 Duty rate에따른출력은 High 구간의폭이한주기동안차지하는비율에따라 Duty rate가결정된다. 본논 3386
스마트폰을이용한 LED 조명무선제어 문에서는 Ried 7 소프트웨어를사용하여프로그래밍하였으며 Red, Green, Blue 각각 PWM 신호로제어를하여밝기를조절하여색을조합하게된다. 2.2 Bluetooth 무선통신본논문에서는 LED조명무선제어회로와근거리무선통신을하기위하여 Bluetooth 무선통신방식을사용하였다. Bluetooth 무선통신은작고, 가격이저렴하고, 저전력소모 (100mW 이하 ) 로근거리송 수신기를모바일디바이스에직접또는 PC카드와같은어댑터를통하여무선통신환경을제공해주는하나의기술이다. Bluetooth 통신은두기기간에무선통신을하는방식이기때문에양쪽기기가모두 Bluetooth를지원해야한다. 따라서본논문에서는스마트폰에내장되어있는 Bluetooth를사용하고, LED조명제어회로에 Bluetooth 모듈을부착하여데이터를송 수신하였다. 그림 4는 Cortex M3와 Bluetooth 모듈의블록도이다. Fig. 5. Bluetooth Module 그림 5 는 Bluetooth 모듈이다. 왼쪽부터 GND 핀과 VCC 핀은 Cortex M3 의 GND 핀과 VCC 핀과연결해주면되고, Reset 핀은 Bluetooth를처음부터다시시작할때쓰이는핀이다. 그다음작업모드는표 1에정리하였다. Table 1. Bluetooth module operating table Part Working mode selector switch LED Working mode (LD2)) Pairing LED (LD3) Content Release the switch to CFG position setup mode. Opposite side communication mode. If the master communication one-second intervals, If the slave communication 1/4 second intervals, If the setup mode, the lamp blinks at 4-second intervals If the master and slave are paired ON, or OFF Fig. 4 A block diagram of the Cortex M3 with a Bluetooth module 페어링 LED는스마트폰과 LED조명제어회로와페어링되면 ON 상태가된다. 작업모드 LED는점멸되는데 1초간격으로점멸하면스마트폰과통신을하게되는것이고, 1/4초로점멸되면 LED조명제어회로와통신을하는것이다 [5]. 그림 6은무선제어회로의순서도를나타낸것이다. Cortex M3 내부의 UART 통신을이용하여 Bluetooth 모듈과데이터를송수신한다. 제어신호를 Bluetooth 통신을통하여데이터를송신하면 Cortex M3 에제어신호가도달하여내부에서연산처리를통하여 I/O Port에서 PWM 신호를출력하게된다. Fig. 6. Flow diagram of the wireless control circuit 3387
한국산학기술학회논문지제 16 권제 5 호, 2015 사용자가스마트폰에서제어신호를보내면 Bluetooth 통신을사용하여 Cortex M3와데이터송 수신하게된다. 스마트폰에서받은데이터를 Cortex M3에서연산을통하여 PWM 제어신호를 LED 드라이버로출력하게되고, LED 드라이버에서는입력받은 PWM 신호에따라서 LED 조명의밝기를제어하게된다. 본논문에서는 LED조명제어에필요한기능들을위하여 APP을설계하였다. 설계한안드로이드 APP은그림 7과같다. 와같이 LED 드라이버는 Cortex M3의 I/O Port와연결하여 PWM신호를입력을받게된다. 또한 Cortex M3와 Bluetooth 모듈과는 UART 직렬통신을사용하여서로간의데이터를송수신할수있도록하였다. 다시말해, 사용자가스마트폰 APP을통하여제어신호를보내게되면 Cortex M3와데이터송수신을하고, 사용자가원하는제어신호를 LED 드라이버와 PWM 신호로신호를보내최종적으로 LED 조명모듈에신호가전달되어색조절및밝기를조절하게된다. Fig. 8. LED lighting control circuit block diagram Fig. 7. Android application operation screen 처음에사용자가 APP을안드로이드구글마켓에서다운로드하여 APP을설치하고, 설치가끝난후에 APP을실행시키면그림 7과같이블루투스승인요청하는질문을하게된다. 예 라고누르면 Bluetooth 통신이스마트폰에서허용이되고자동으로주변의 Bluetooth 송 수신기를검색하게된다. 주위의환경에따라서다양한 Bluetooth 사용기기들이검색이되는데, 사용자가 LED 조명제어회로모듈과페어링시킨뒤, 그림 7과같이간단하게 LED를 ON/OFF 할수있으며, 원형색좌표를통하여사용자가원하는색을클릭을하면그색에가깝게 LED의밝기및색깔이조정이된다. 3. 모의실험및분석본논문에서는 Cortex M3를이용하여 LED조명제어회로를구성하였다. 그림8의 LED조명제어회로블록도 본논문에서구현한 LED조명제어회로는스마트폰 Bluetooth 통신을사용하여 APP을통해제어하며 PWM 신호가 Cortex M3에서제대로출력이되는지확인이필요하여 3가지의 Duty rate를주고실험을하였다. 이실험은총 5회에걸쳐반복실험하였다. 그림 9는 PWM 전압파형으로 (a) 는 50% Duty rate를나타내며 (b) 는 80% Duty rate (c) 는 100% Duty rate로실험하였다. (a) 50% (b) 80% (c) 100% Fig. 9. PWM voltage waveform 또한, PWM 신호에의하여 LED의밝기를눈으로확인하기위하여위와동일한방법으로 LED를가지고 Duty rate를 50%, 80%, 100% 설정하고 5회반복실험을하였다. 그림 10은 PWM신호에의한 LED의밝기변화 3388
스마트폰을이용한 LED 조명무선제어 를나타낸다. (a) 50% (b) 80% (c) 100% Fig. 10. LED brightness change by the PWM signal 그림 10과같이 3가지의 Duty rate 즉, 50%, 80%, 100% 의 Duty rate를주었다. 이때에 LED 드라이버로입력되는전압을측정하여, 표 2과같이 (a) 는 8.9 [V] ~ 9.4 [V] 범위로측정이되었고, (b) 는 7.3 [V] ~ 7.6 [V] 범위로측정이되었으며, (c) 는 4.5 [V] ~ 4.8 [V] 의범위로측정되어변화가있음을확인하였다. Table 2. Voltage measurement in accordance with the Duty rate changes LED driver input voltage Measurement measurement a b c 1 time 9.4 V 7.5 V 4.5 V 2 time 9.2 V 7.3 V 4.6 V 3 time 9.4 V 7.6 V 4.8 V 4 time 9.3 V 7.3 V 4.8 V 5 time 8.9 V 7.4 V 4.7 V 100 60 100 Purple 100 50 100 Dark Purple 100 40 100 Dark purple 100 30 100 Amethyst 100 20 100 Amethyst 100 10 100 Amethyst 100 100 90 Pink 100 100 80 Light pink 100 100 70 Light pink 100 100 60 Orange 100 100 50 Dark yellow 100 100 40 Apricot 100 100 30 Apricot 100 100 20 Chrome yellow 100 100 10 Yellow Red, Green, Blue가각각 100% Duty rate를가지면흰색이나왔으며, 두가지의 LED를 100% Duty rate를주고나머지 LED의 Duty rate를 10% 씩줄여나가면서색의변화가표 3과같이변화됨을확인하였다. 그림 11 은 Duty rate가변함에따른실험과정을나타낸것이다. Cortex M3를 LED조명무선제어회로에적용함으로써, 다양한색조절이가능하고무선제어가가능함을확인하였다. 표 3에서는 Red와 Green와 Blue의 Duty rate를각각변화시켜실험 data를정리하였다. Table 3. Red, Green, Blue color combination table Duty rate Red(%) Green(%) Blue(%) Result 100 100 100 White 90 100 100 White 80 100 100 Purple 70 100 100 Purple 60 100 100 Purple 50 100 100 Sky blue 40 100 100 Sky blue 30 100 100 Sky blue 20 100 100 Sky blue 10 100 100 Sky blue 100 90 100 Pink 100 80 100 Pink 100 70 100 Hot Pink Fig. 11. Procedure according to the color combination Duty rate 4. 결론 본논문에서는 Cortex M3 를이용하여 LED 를디밍 3389
한국산학기술학회논문지제 16 권제 5 호, 2015 제어하고 LED 조명의밝기를안정하게유지및조절하기위하여 LED 드라이버인 HV9910을사용하였다. Cortex M3는 32 bit 마이크로컨트롤러로써, PWM신호의 Duty rate를조절하여 LED의밝기를여러가지단계로조절이가능하다. 또한, 사용자의편리성을위하여무선으로제어가능하도록하였다. 본논문에서설계한안드로이드 APP을사용자의스마트폰에다운로드및설치를하면사용자가따로제어 Device를구입할필요없이스마트폰에내장되어있는 Bluetooth 통신으로쉽게제어가능하도록하였다. 본논문에서는스마트폰을이용한 LED조명무선제어회로를설계하였고, Red, Green, Blue LED를사용하여다양한색조합의표현이가능하도록하였다. 따라서기존에램프들이가졌던한계점인다채로운색상을표현할수있기때문에감성조명시스템에적용하면실내에서도보다인간중심적이고다양한조명분위기를설정할수있으며, 더나아가스마트조명제어시스템에많이활용될수있을것으로사료된다. References [1] Jo Hyeon min "LED technology overview and development trends", Korea Electronics Technology Institute, 2010. [2] Cortex M3 datasheet. TI [3] Park Seon-Ho, Oh, Young - Hwan. "ARM Cortex-M3 System Programming Mastering Ι". D & W Wave. 2009. [4] HV9910 datasheet, Supertex [5] Park Seon-Ho, Oh, Young - Hwan. "ARM Cortex-M3 System Programming Mastering Ⅱ". D & W Wave. 2009. 신성휴 (Seong-Hyu Shin) [ 준회원 ] 2013 년 2 월 : 원광대학교전자공학졸업 2013 년 3 월 ~ 현재 : 원광대학교전자공학과대학원 ( 석사과정 ) < 관심분야 > LED 조명, 임베디드시스템, 신호처리및시스템 김환용 (Hwan-Yong Kim) [ 정회원 ] 1978 년 2 월 : 전북대학교대학원전자공학과 ( 공학석사 ) 1984 년 8 월 : 전북대학교대학원전자공학과 ( 공학박사 ) 1979 년 3 월 ~ 현재 : 원광대학교전자공학과교수 < 관심분야 > 임베디드시스템, SoC 설계, 신호처리, 회로및시스템 3390