KR101102745B1 - 지그비 네트워크를 이용한 엘이디 감성조명 제어시스템 - Google Patents

지그비 네트워크를 이용한 엘이디 감성조명 제어시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지그비 통신을 이용하여 임베디드 시스템에서 제어하는 통합형 조명제어 시스템을 구현하고 엘이디의 디밍 기술을 바탕으로 감성조명을 구현할 수 있도록 한 지그비 네트워크를 이용한 엘이디 감성조명 제어시스템에 관한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 엘이디가 바 형태로 기판상에 실장된 엘이디 조명 보드와, 상기 엘이디 조명 보드를 구동 제어하기 위한 조명제어부와, 상기 조명제어부와 상기 엘이디 조명 보드 간에 통신 가능하도록 지그비 모듈이 구비된 제어시스템에 있어서, 엘이디 조명 보드와 지그비 모듈을 하나로 묶어 복수의 엘이디 조명 노드를 구성하고 조명제어부와 지그비 모듈을 하나로 묶어 베이스 노드를 구성하되, 복수의 엘이디 조명 노드는 지그비 통신을 통해 메쉬 망으로 연결하여 베이스 노드에서 모든 엘이디 조명 노드를 일괄적으로 제어할 수 있도록 무한 루프 방지용 시퀀스 번호를 부여하고 데이터가 무한대로 포워딩되지 않도록 TTL(Time-To-Live)값을 설정하여 플러딩(Flooding) 알고리즘을 적용하여 구성됨을 특징으로 한다.

Description

지그비 네트워크를 이용한 엘이디 감성조명 제어시스템{SYSTEM FOR CONTROLLING EMOTIONAL ILLUMINATION USING ZIGBEE NETWORK}
본 발명은 지그비 네트워크를 이용한 엘이디 감성조명 제어시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지그비 통신을 이용하여 임베디드 시스템에서 제어하는 통합형 조명제어 시스템을 구현하고 엘이디의 디밍 기술을 바탕으로 감성조명을 구현할 수 있도록 한 지그비 네트워크를 이용한 엘이디 감성조명 제어시스템에 관한 것이다.
현대사회는 친환경 및 에너지 절감이라는 전 세계적인 문제를 안고 있다.
이에 따라 현대 조명분야에서도 신광원에 대한 관심이 집중되고 있다.
차세대 광원으로 가장 유력한 것으로는 엘이디(LED)를 들 수 있다.
엘이디는 반도체의 P-N 접합 구조를 이용하여 주입시킨 소수 캐리어를 생성시킨 후 다시 소수 캐리어들의 재결합에 의하여 발광이 이루어진다.
이와 같은 엘이디는 기존의 광원에 비하여 소형이고, 수명이 길며 고효율로 응답성이 뛰어나 다양한 분야에 응용되고 있다.
또한, 광원이 화려하고 다양한 색감을 제공함으로써 감성적 제어가 가능하다는 장점이 있다.
본 발명에서는 엘이디를 이용하여 조명장치를 제작하고 엘이디의 디밍 기술을 바탕으로 감성조명을 구현하고자 한다.
또한 단순히 조명장치로서의 기능뿐 아니라 유비쿼터스 컴퓨팅 혹은 홈네트워크 시스템으로 각광을 받고 있는 지그비 통신을 이용하여 임베디드 시스템에서 제어하는 통합형 조명제어 시스템을 구현하고자 한다.
그리고 온도, 습도, 조도 센서를 이용하여 지그비 모듈이 놓인 곳의 상태를 확인하는 모니터링 기능도 포함시켜 다양한 정보를 취할 수 있도록 한 감성조명 시스템을 구현하고자 한다.
본 발명은 상기의 과제를 달성하기 위하여, 엘이디가 바 형태로 기판상에 실장된 엘이디 조명 보드와, 상기 엘이디 조명 보드를 구동 제어하기 위한 조명제어부와, 상기 조명제어부와 상기 엘이디 조명 보드 간에 통신 가능하도록 지그비 모듈이 구비된 제어시스템에 있어서, 상기 엘이디 조명 보드와 지그비 모듈을 하나로 묶어 복수의 엘이디 조명 노드를 구성하고 상기 조명제어부와 지그비 모듈을 하나로 묶어 베이스 노드를 구성하되, 상기 복수의 엘이디 조명 노드는 지그비 통신을 통해 메쉬 망으로 연결하여 상기 베이스 노드에서 모든 엘이디 조명 노드를 일괄적으로 제어할 수 있도록 무한 루프 방지용 시퀀스 번호를 부여하고 데이터가 무한대로 포워딩되지 않도록 TTL(Time-To-Live)값을 설정한 플러딩(Flooding) 알고리즘이 적용되고, 엘이디 조명이 놓인 환경을 모니터링하여 조명환경을 설정할 수 있도록 상기 베이스 노드의 조명제어 그래픽 유저 인터페이스(GUI) 애플리케이션은 상기 엘이디 조명 노드의 지그비 모듈에 장착되어 온도, 습도, 조도를 검출하기 위한 센서로부터 그 측정값을 전송받아 표시하기 위한 표시부와, 특정 엘이디 조명 노드의 ID를 선택하기 위한 ID선택부와, 선택된 해당 엘이디 조명 노드의 조명제어부를 통해 엘이디의 밝기를 색상별로 조절할 수 있도록 제공되는 슬라이드 바와, 상기 엘이디 조명노드의 지그비 모듈과 데이터 전송이 가능하도록 연결하기 위한 접속 버튼부 및, 상기 엘이디 조명 보드를 온/오프 제어하기 위한 전원 버튼부로 이루어진 것을 특징으로 한다.
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본 발명에 따르면, 현대 조명을 대체할 광원으로 주목받고 있는 엘이디를 이용하여 광색, 색온도, 광출력 등의 제어를 통하여 다양한 조명환경을 설정하고 이를 필요에 따라 선택하여 원하는 조명을 연출함으로써 개인의 감성을 최대한 만족시킬 수 있는 감성조명을 구현할 수 있다는 효과가 있다.
또한 리눅스기반 임베디드 시스템에서 Qt/Embedded GUI 애플리케이션을 만들어 사용자가 엘이디 조명 노드를 통합 제어할 수 있고 엘이디 조명 노드가 놓인 곳의 온도, 습도, 조도에 따라 사용자가 최적의 조명환경을 설정할 수 있어 능동적인 조명제어 시스템을 구현할 수 있다는 효과가 있다.
그리고 다른 디바이스들과 연동이 용이하도록 지그비 모듈이 설계됨으로써 유비쿼터스 홈 네트워크에 적용 가능하다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 지그비 네트워크를 이용한 엘이디 감성조명 제어시스템의 개략적인 구조를 보인 도이다.
도 2는 본 발명에 적용된 엘이디 조명 보드의 개략적인 구조를 보인 도이다.
도 3은 본 발명에 적용된 엘이디 조명의 배열을 개략적으로 보인 도이다.
도 4는 본 발명에 적용된 LedControl 컴포넌트의 개략적인 구조를 보인 도이다.
도 5는 본 발명에 적용된 엘이디 조명 보드의 제어 방식을 개략적으로 보인 도이다.
도 6은 본 발명에 적용된 엘이디 조명 노드의 센서 값 전송 루트를 개략적으로 보인 도이다.
도 7은 본 발명에 적용한 조명제어부의 블록도이다.
도 8은 본 발명에 적용된 조명제어 그래픽 유저 인터페이스(GUI) 애플리케이션이다.
도 9는 본 발명에서 구현한 엘이디 조명의 예시 도이다.
도 10은 본 발명에 따른 제어시스템을 구현한 도이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 지그비 네트워크를 이용한 엘이디 감성조명 제어시스템의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 하드웨어는 도 1에 도시한 바와 같이, 크게 엘이디 조명 보드(10)와 조명제어부(20), 그리고 이 두 개를 지그비 무선통신으로 연결하는 지그비 모듈(30)로 구성된다.
여기서, 엘이디 조명 보드(10)와 지그비 모듈(30a)을 하나로 묶어 엘이디 조명 노드(100)라고 부르고, 조명제어부(20)와 지그비 모듈(30b)을 하나로 묶어 베이스 노드(200)라고 칭한다.
각각의 엘이디 조명 노드(100)는 지그비 통신을 통해 메쉬(Mesh) 망으로 연결한다.
각각의 엘이디 조명 노드(100)는 개별적으로 키패드를 이용하여 제어할 수 있지만, 지그비 통신을 통한 베이스 노드(200)의 명령에 따라 제어된다.
베이스 노드(200)는 각 엘이디 조명의 상태 값을 모니터링 하고 있으며, 사용자의 명령에 따라 엘이디 조명 노드(100)의 밝기를 제어한다.
지그비 모듈(30)에는 온도, 습도, 조도의 3가지 센서가 부착되어 있다.
각각의 센서로부터 얻은 값은 20초마다 베이스 노드(200)로 전송된다.
따라서 베이스 노드(200)는 엘이디 조명 제어뿐만 아니라 엘이디 조명이 놓인 환경까지 모든 것을 한눈에 모니터링 할 수 있다. 이로써, 광색, 색온도, 광출력 등의 제어를 통하여 다양한 조명환경을 설정하고 이를 필요에 따라 선택하여 원하는 조명을 연출할 수 있게 된다. 뿐만 아니라, 엘이디 조명 노드(100)가 놓인 곳의 온도, 습도, 조도에 따라 사용자가 최적의 조명환경을 설정할 수 있어 능동적인 조명제어가 가능하게 된다.
도 2는 엘이디 조명 보드(10)의 구조이다.
엘이디의 제어 방법으로는 효율을 높이고, 제어를 간단히 하기 위해서 위상제어 방식인 PWM를 이용한다.
PWM 파형을 만들기 위해 ATMEL사의 ATmega128 마이크로컨트롤러를 사용하였으며, Timer/Counter1를 통해 3개의 PWM, Timer/Counter3를 통해 2개의 PWM를 만들었다.
이렇게 생성된 PWM은 AMC7140 LED 드라이버를 제어함으로써 엘이디 조명의 밝기를 제어할 수 있다.
엘이디 조명의 배열은 도 3과 같이 한 줄에 15개씩 직·병렬로 연결하여 바(BAR) 형태로 제작하였다.
바 형태로 제작할 경우 장점으로는 기존의 엘이디가 파손되었을 때 간단히 엘이디 바를 교체함으로써 수리가 가능하고, 또한 바와 바 사이의 공간에 의해 방열기능을 가진다.
더 밝은 것을 원할 때 엘이디 바를 추가하여 조도를 높일 수 있다.
본 발명에서 적용한 지그비 모듈(30)은 TI사의 CC2420 지그비 칩과 ATMEL사의 ATmega128L 마이크로컨트롤러 두 개의 칩을 사용하여 제작하였다.
지그비 모듈(30)의 프로그램으로는 TinyOS 1.x를 사용하여 엘이디 조명을 제어할 수 있도록 도 4와 같이 LedControl 컴포넌트를 프로그래밍 하였다.
LedControl 컴포넌트의 통신 방식은 Flooding 알고리즘을 이용한다.
Flooding 알고리즘은 ad-hoc 통신을 위한 가장 기본이 되는 알고리즘이다.
어느 한 노드에서 통신이 발생하면 통신을 받은 노드는 자신이 목적지 노드가 아니면 다시 모든 노드에게 브로드캐스팅 방식으로 재전송하여 목적지에 이르는 통신방식이다.
모든 노드가 통신에 참여하므로 한 노드가 같은 패킷을 두 번 이상 수신하는 overlap과 데이터 충돌확률이 증가하고 많은 전력 소모로 인하여 라이프 사이클이 짧아지는 단점이 있다.
본 발명에서는 도 5와 같이 모든 엘이디 조명 노드(100)가 제어 노드가 될 수 있도록 하며, 베이스 노드(200)에서 모든 엘이디 조명 노드(100)를 일괄적으로 제어할 수 있도록 한다.
또한 도 6과 같이 엘이디 조명 노드(100)의 온도, 습도, 조도 센서에서 측정된 센서 값이 Linux Embedded 보드에 보내져 통합적으로 모니터링 가능하게 된다.
일반적으로 ad-hoc 알고리즘은 일정한 루트를 형성한 후 그 루트를 통해 데이터를 전송함으로써 데이터를 효과적으로 전송한다.
하지만 본 발명에서의 토폴로지는 일정한 루트가 없는 센서 네트워크와 제어 네트워크의 혼합형이다.
따라서 일반적인 ad-hoc 알고리즘을 적용하기에는 맞지 않으며, 따라서 Flooding 알고리즘을 이용하여 엘이디 조명 메쉬 망을 구현하였다.
본 발명에서는 Flooding 알고리즘의 단점을 극복하기 위해 패킷의 무한 루프 방지용 시퀀스 번호를 부여하고 데이터가 무한대로 포워딩되지 않도록 TTL(Time-To-Live)값을 설정하였다.
도 7은 본 발명에서 구현한 조명제어부의 블록도이다.
INTEL사의 모바일 전용 CPU인 PXA270-520MHz 프로세서를 기반으로 타겟 보드를 구현하였다.
지그비 모듈(30)과의 연동을 위해 PXA270 내부의 BlueTooth UART 포트(BT-UART)를 사용하였다.
데이터의 디스플레이와 사용자 입력을 위해 7인치 터치스크린을 사용하여 사용자의 편의를 도모하였다.
도 8은 조명제어 그래픽 유저 인터페이스(GUI) 애플리케이션이다.
조명제어부(20)는 임베디드 보드에 Linux 2.6.12를 포팅하고 Qt/Embedded 프로그램을 이용하여 GUI 애플리케이션을 구현하였다.
동 도에서 ①은 조명 노드의 지그비 모듈에 장착되어 있는 센서의 값을 확인할 수 있다. 20초 마다 센서는 온도, 조도, 습도의 값을 측정하여 베이스 노드인 조명제어부에 보내게 된다.
②의 슬라이드 바를 터치스크린을 통해 드레그 하면 LED 스탠드의 밝기가 제어된다. 밝기제어는 색깔별로 각각 이루어지게 된다.
③은 지그비 모듈과 연결하는 버튼이며, ④는 엘이디 조명의 온/오프 버튼이다.
⑤번에서는 엘이디 조명 노드의 ID를 선택할 수 있다. 여기서 선택된 엘이디 조명만이 제어되게 된다.
⑥은 각각의 엘이디 조명 노드로부터 수신되는 모든 값을 개발자가 확인할 수 있도록 하는 EDIT 창이다.
도 9는 본 발명에서 구현한 엘이디 조명의 예시이다.
5가지 색깔의 엘이디는 개별적으로 255단계로 제어되어 디밍된다.
도 10은 엘이디 조명을 통합적으로 제어하고 온도, 습도, 조도의 센서 값을 확인할 수 있는 제어시스템부를 구현한 것으로서, 뒷면에 지그비 모듈이 장착되어 있어 모든 엘이디 조명 노드(100)들을 지그비 무선 통신으로 제어하게 된다. 이에, 사용자는 터치스크린을 통해 엘이디 조명 노드(100)의 ID를 선택하고, 슬라이드 바를 움직임으로써 해당 엘이디의 조도를 제어할 수 있다.
10: 엘이디 조명 보드
20: 조명제어부
30(30a,30b): 지그비 모듈
100: 엘이디 조명 노드
200: 베이스 노드

Claims (2)

  1. 엘이디가 바 형태로 기판상에 실장된 엘이디 조명 보드와, 상기 엘이디 조명 보드를 구동 제어하기 위한 조명제어부와, 상기 조명제어부와 상기 엘이디 조명 보드 간에 통신 가능하도록 지그비 모듈이 구비된 제어시스템에 있어서,
    상기 엘이디 조명 보드와 지그비 모듈을 하나로 묶어 복수의 엘이디 조명 노드를 구성하고 상기 조명제어부와 지그비 모듈을 하나로 묶어 베이스 노드를 구성하되, 상기 복수의 엘이디 조명 노드는 지그비 통신을 통해 메쉬 망으로 연결하여 상기 베이스 노드에서 모든 엘이디 조명 노드를 일괄적으로 제어할 수 있도록 무한 루프 방지용 시퀀스 번호를 부여하고 데이터가 무한대로 포워딩되지 않도록 TTL(Time-To-Live)값을 설정한 플러딩(Flooding) 알고리즘이 적용되고,
    엘이디 조명이 놓인 환경을 모니터링하여 조명환경을 설정할 수 있도록 상기 베이스 노드의 조명제어 그래픽 유저 인터페이스(GUI) 애플리케이션은 상기 엘이디 조명 노드의 지그비 모듈에 장착되어 온도, 습도, 조도를 검출하기 위한 센서로부터 그 측정값을 전송받아 표시하기 위한 표시부와, 특정 엘이디 조명 노드의 ID를 선택하기 위한 ID선택부와, 선택된 해당 엘이디 조명 노드의 조명제어부를 통해 엘이디의 밝기를 색상별로 조절할 수 있도록 제공되는 슬라이드 바와, 상기 엘이디 조명노드의 지그비 모듈과 데이터 전송이 가능하도록 연결하기 위한 접속 버튼부 및, 상기 엘이디 조명 보드를 온/오프 제어하기 위한 전원 버튼부로 이루어진 것을 특징으로 하는 지그비 네트워크를 이용한 엘이디 감성조명 제어시스템.
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