KR101655400B1 - 플리커링 방지를 위한 led 조광제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플리커링 방지를 위한 LED 조광제어 시스템에 관한 것으로, 가축 사육장에 설치된 다수의 LED 조명등; 상기 LED 조명등을 구동하는 LED 구동부와, 상기 LED 구동부와 연결되어 상기 LED 조명등의 입력전압의 위상변화에 동기화된 출력신호를 발생시키도록 출력전압의 위상을 제어하는 위상제어부와, 유/무선 통신모듈과, MCU를 포함하여 구성된 조광제어장치; 및 상기 통신모듈과 연결되는 통합제어용 단말을 포함한다.
이와 같이 본 발명은 시스템 구성이 간단하고 사용환경이 편리할 뿐만 아니라, 양계장 등의 사육장에 조명등에서 발생하는 플리커링 현상을 효과적으로 방지하여 가축 사육 농가의 생산성을 향상시킬 수 있는 LED 조광제어 시스템을 제공한다.

Description

플리커링 방지를 위한 LED 조광제어 시스템{LED lighting control system for preventing flickering}

본 발명은 LED 조광제어 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플리커링 현상을 감소시켜 양계농가 등 가축농가에 대한 생산성을 높일 수 있는 LED 조광제어시스템에 관한 것이다.

LED(light emitting diode)는 대표적인 친환경 고효율 조명기구로서 건축조명 뿐만 아니라 농업 및 양계농가를 포함한 축산분야에도 활발히 보급되고 있다. 양계농장에서의 생산성 향상을 위해 산란계의 산란에 영향을 줄 수 있는 LED 점등의 다양한 파장에 따른 산란계의 산란율 등을 측정함으로써 산란 능력에 미치는 영향을 조사하고 연구한 결과가 발표된 바 있다. 또한 이러한 개념들에 기반하여 양계농가에서의 생산성 향상을 위해 LED를 제어하는 방법에 대한 연구가 있었다.

그런데 조광기가 설치되는 양계농가에는 여러가지 회전기기들을 사용하므로 이들의 영향으로 인해 상용전기(단상 220V)는 순간적으로 위상이 변화되는 현상이 발생된다. 이로 인해 LED 전원의 조도 변화가 발생하여 깜빡임 현상인 플리커링이 발생하게 되며 이는 닭에 스트레스를 유발하게 되므로 생산성이 저하되는 원인이 된다. 그러므로 입력 위상이 변동되어도 출력단의 조도제어 출력은 동일한 크기를 가지게 하는 LED전구의 플리커링 현상을 방지에 대한 연구가 절대적으로 필요하다.

대한민국 등록특허 제10-1223969호(등록일자: 2013년01월14일)

상술한 문제를 해결하고자 하는 본 발명의 과제는 LED 조명등의 플리커링 현상을 감소시켜 양계농가 등 가축농가에 대한 생산성을 높일 수 있는 LED 조광제어시스템을 제공하고자 함이다.

상술한 과제를 해결하고자 하는 본 발명의 특징은 가축 사육장에 설치된 다수의 LED 조명등; 상기 LED 조명등을 구동하는 LED 구동부와, 상기 LED 구동부와 연결되어 입력전압의 위상변화에 동기화된 출력신호를 발생시키도록 출력전압의 위상을 제어하는 위상제어부와, 유/무선 통신모듈과, MCU를 포함하여 구성된 조광제어장치; 및 상기 통신모듈과 연결되는 통합제어용 단말을 포함한다.

여기서, 상기 가축 사육장은 양계장인 것이 바람직하고, 상기 위상제어부는, 입력신호의 위상차를 산출하는 위상비교기와, 저역통과필터 및 입력 전압레벨에 따라 제어되는 주파수를 발생시키는 전압제어 발진기로 구성된 아날로그 위상동기회로를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 바람직하게는 상기 위상비교기는 적어도 2개인 것일 수 있고, 상기 통합제어용 단말은, PC, 노트북, 테블릿 PC 및 스마트폰 중 어느 하나인 것일 수 있으며, 상기 통합제어용 단말은, 상기 가축의 생육 또는 외부환경에 따라 미리 설정된 조도 데이터가 저장된 데이터베이스를 포함하는 것일 수 있다.

또한, 상기 LED 조명등 제어는 사육장 각 동별로 제어 가능하고, 점등 시간이 서로다른 적어도 2개의 점동조건으로 설정 가능한 것이 바람직하고, 상기 조광제어장치는, 점등 정보를 표시하는 표시모듈 및 점등조건을 설정할 수 있는 입력모듈이 구비된 것이 바람직하다.

더하여, 상기 조광제어장치는, 상기 MCU와 연결되어 전력을 제어하는 전력 제어 구동부(SCR)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명은 시스템 구성이 간단하고 사용환경이 편리할 뿐만 아니라, 양계장 등의 사육장에 조명등에서 발생하는 플리커링 현상을 효과적으로 방지하여 가축 사육 농가의 생산성을 향상시킬 수 있는 LED 조광제어 시스템을 제공한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가축 사육을 위한 LED 조광제어 시스템에 블록 구성을 나타낸 도면이고,
도 2는 플리커링 현상 발생 원인을 알아보기 위한, 입력전압 위상 변화 관측을 위한 회로를 나타낸 도면이고,
도 3은 입력전압의 위상 변화를 나타낸 그래프이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 LED 조광제어 시스템의 위상제어부에 적용되는 입력 전압 위상 동기를 위한 회로를 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 LED 조광제어 시스템의 위상제어부에 적용되는 입력 전압 위상 동기를 위한 회로의 출력 개념도이고,
도 6 및 도 7은 각각 본 발명의 실시예에 따른 LED 조광제어 시스템의 위상동기회로를 적용한 출력의 결과와 적용하지 않은 출력의 결과를 나타낸 도면이고,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 LED 조광제어 시스템의 사용자 관리 프로그램 GUI를 나타낸 도면이고,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 LED 조광제어 시스템의 점등조건 GUI를 나타낸 도면이고,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 LED 조광제어 시스템에서 운영 프로그램의 조도설정 GUI를 나타낸 도면이고,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 LED 조광제어 시스템에서 운영 프로그램의 자동조건관리 설정 GUI를 나타낸 도면이고,
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 LED 조광제어 시스템에서 조광제어장치를 나타낸 사진이고,
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 LED 조광제어 시스템에 적용되는 SCR 구동부의 신호흐름을 나타낸 도면과 사진이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 통해 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여기에서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

도면들에 있어서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 명세서에서 "및/또는"이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "포함한다" 또는 "포함하는"으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 소자 및 장치의 존재 또는 추가를 의미한다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가축 사육을 위한 LED 조광제어 시스템에 블록 구성을 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 조광제어 시스템은, 가축 사육장에 설치된 다수의 LED 조명등(100); 상기 LED 조명등(100)을 구동하는 LED 구동부(210)와, 상기 LED 구동부(210)와 연결되어 상기 LED 조명등의 입력전압의 위상변화에 동기화된 출력신호를 발생시키도록 출력전압의 위상을 제어하는 위상제어부(230)와, 유/무선 통신모듈(270)과, MCU(250)를 포함하여 구성된 조광제어장치(200); 및 상기 통신모듈과 연결되는 통합제어용 단말(300)을 포함하여 구성된다.

이처럼 본 발명의 실시예는 가축사육, 특히 양계사육을 위한 PC 기반 LED 조광제어 시스템을 제안한다. 제안한 LED 조광제어 시스템은 운행을 위한 소프트웨어 프로그램과 임베디드 장치 및 펌웨어로 구성되는 것으로, 플리커링 현상을 감소시킬 수 있는 아날로그 위상동기화 회로를 이용한 새로운 조광 시스템을 제안하고. 실험결과 제안한 아날로그 보상 회로에 기반한 조광방법을 적용한 경우에는 플리커링 현상이 발생되지 않음을 알 수 있었다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 조광제어 시스템은 PC에서 운영되는 소프트웨어 프로그램과 임베디드 장치/펌웨어 프로그램으로 구성되고, 통합제어용 단말(300)로서 PC기반 LED조도제어 서버는 윈도우기반의 PC를 사용할 수 있으며, 통신부분 프로그램은 JAVA로 구현하였으며 UI부분은 C#으로 개발하였다. 통합제어용 단말(300)은 PC 뿐만 아니라, 노트북, 테블릿 PC 및 스마트폰 등 컴퓨팅 디바이스면 모두 가능하다. 그리고, 통합제어용 단말(300)은 생육/외부환경에 따라 미리 설정된 조도 데이터베이스를 구비하는 것이 바람직하고, 이 조도 데이터베이스에는 사육품종/ 사용자 의도에 따른 일/주령에 따른 점등계획이 미리 작성되어 저장되는 것이 바람직하다.

또한, 여기서 조광제어 장치는 다수의 LED 조명등(100)과 연결된 LED 구동부(210)와, ATmega128 MCU(250)와, 상기 LED 구동부(210)와 연결되어 플리커링 현상 방지를 위한 아날로그 위상동기 회로를 포함하고 상기 LED 조명등의 입력전압의 위상변화에 동기화된 출력신호를 발생시키도록 출력전압의 위상을 제어하는 위상제어부(230)와, 대전력 위상제어를 위해 전력제어 반도체인 싸이리스터(SCR)를 포함하여 구성된다.

그리고, 위상제어부(230)는 상기 LED 조명등의 입력신호의 위상차를 산출하는 위상비교기(233)와, 저역통과필터 및 입력 전압의 위상차에 비례한 출력신호를 발생시키는 발진기로 구성된 위상동기회로(궤환 폐회로: Phase-locked Loop, PLL)를 포함하여 구성된다. 입력 신호의 주파수 및 위상과 전압 제어 발진기의 발진 주파수 및 위상이 위상비교기(233)에 의해 비교되어서 그 오차에 비례한 직류 전압이 발생하고, 이 오차 전압은 저역 필터를 통하여 증폭되고, 전압 제어 발진기에 가해져서 입력 신호와 전압 제어 발진기의 발진 주파수 및 위상차를 저감시키는 방향으로 전압 제어 발진기의 주파수를 변화시키도록 되어 있다.

이하에서 보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 LED 조광제어 시스템을 이용하여 상술한 양계장에서 발생하는 플리커링 현상 보상방법을 설명하고, 통합제어용 단말(300)로서 PC 기반 서버 및 조광제어장치(200)이 GUI를 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에서 개발한 LED 조광제어 시스템이 설치되는 현장은 다수의 모터와 환기팬, 열풍기 등이 동작하며, 이들 장치들의 영향으로 인해서 조광제어 장치로 입력되는 AC 220[V] 전압은 안정적인 위상과 진폭을 갖지 못한다. 이러한 이유로 인해 전구의 깜빡임 현상인 플리커링 현상이 발생하며 이는 양계의 생산성에 나쁜 영향을 미친다. 그러므로 플리커링 현상을 방지하기 위한 방법에 대한 연구가 절대적으로 필요하다.

도 2는 플리커링 현상 발생 원인을 알아보기 위한, 입력전압 위상 변화 관측을 위한 회로를 나타낸 도면이고, 도 3은 입력전압의 위상 변화를 나타낸 그래프이다. 도 2의 회로와 같이 설계하여 입력단의 전압을 측정한 파형은 도 3과 같으며 입력 전압 위상의 변화가 발생 됨을 알 수 있다. 즉, 상용전기(단상 220V)는 대형 모터 기동으로 인하여 순간적으로 위상이 변화되는 현상이 발생되며 이로 인해 플리커링이 발생하게 된다.

그러므로 본 발명의 실시예에서는 플리커링 현상을 감소시키기 위해서 입력 신호의 위상 변화에 동기화된 출력신호를 발생시키기 위해, 도 4와 같은 입력 위상 동기 회로를 설계하여 적용하였다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 LED 조광제어 시스템의 위상제어부(230)에 적용되는 입력 전압 위상 동기를 위한 회로를 나타낸 도면이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, U1A 과 U1B 비교기를 통하여 입력 위상의 변화에 관계없이 동일한 위상을 갖게 출력되도록 설계하였다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 LED 조광제어 시스템의 위상제어부(230)에 적용되는 입력 전압 위상 동기를 위한 회로의 출력 개념도이다. 여기서 U1A와 U1B는 2개의 위상비교기(233)를 사용하여 동일 주파수를 가진 두 파의 위상차를 검출하게 된다. 예를 들면 두 파의 곱셈을 하여 적당한 필터로 고주파(반송파)를 제거함으로써 위상차에 비례한 출력을 얻을 수 있도록 하여 위상차를 보상할 수 있게 된다.

즉, 입력 위상이 변동되어도 출력단의 조도제어 출력은 동일한 크기를 가지게 함으로써 LED전구의 플리커링 현상을 방지하게 된다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 제안한 본 발명의 실시예에 따른 LED 조광제어 시스템 위상제어부(230)의 위상 동기회로 적용 시 조광기 최종 출력 파형은 도 6과 같으며, 결과로부터 출력의 변동이 없음을 알 수 있다. 도 7은 위상 동기회로를 적용하지 않은 경우로서 조광기 출력에 변동이 발생 됨을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에에 따른 LED 조광제어 시스템에서 통합제어용 단말(300)(PC 기반 서버)의 운영 프로그램으로서, LED제어를 위한 사용자 관리 프로그램(GUI)은 도 8과 같다. 운영프로그램은 항시 인터넷을 통하여 표준시간을 동기화하여 조도제어 일정계획에 알맞도록 설계하였다.

양계는 사육 품종에 따라 육계와 산란계로 구분할 수 있다. 현재 국내에서 4개동 이하로 계사가 관리되는 곳이 95%에 이르기 때문에 기본 제어 대상을 4개동으로 표시하였으며, 최대 16개동까지 제어 가능하도록 설계하였다.

즉, 도 8과 같이 각 동별 개별 제어가 되며, 점등조건1과 점등조건2로 구성하였다. 점등조건을 2가지 설계한 이유는 계절별 /사육일령별 규정된 사료를 섭취하지 못하면, 성장적체와 불량란 생산으로 직결되기 때문에 더운 여름철의 경우 야간에 1-2시간 점등하여 필요 사료량을 섭취하도록 유도한다. 이러한 2회 점등 기법은 50개 이상의 양계농장을 직접 방문하여 현장의 경험을 청취하고 이를 기반으로 GUI를 구현하였다.

사용자는 간단한 마우스 클릭 또는 터치만으로 간편히 조작이 가능하다. 도 9의 (a)는 점등 조건 1을 표시하며, 도 9의 (b)는 점등조건 2를 표시하고 있다. 현재시간이 점등조건 1에 만족하게 되면 "점등: 조건1"로 표시되며, 점등조건1의 램프에 적색이 나타나며 점등이라 표시된다.

계절별/사육단계에 따른 점등조건은 달라지며 점등조건 2는 사용하지 않는 경우가 있으며 이런 경우에는 회색으로 표시된다. 도 9의 (b) 점등조건2의 사용 유/무를 체크하면 점등조건 2가 활성화 되면서 색상이 다르게 표시 된다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 LED 조광제어 시스템에서 운영 프로그램의 조도설정 GUI를 나타낸 도면이다. 도 10의 (a)에 나타낸 바와 같이, 조도설정은 0-99단계로 나뉘어져 있다. 점등조건 및 조도설정 입력 후 저장 버튼을 누른다. 저장 버튼을 선택하면 운영프로그램은 유/무선으로 연결된 LED조광제어 장치로 정보를 전달하고, 장비측에서 송신한 저장 완료 응답을 통하여 설정완료를 표시한다. 그리고, 운영프로그램 우측 상단의 별칭 설정 아이콘을 누르면 도 10의 (b)와 같은 팝업창이 활성화되며, 각 동의 이름을 실제 농장에서 사용하는 이름으로 변경할 수 있다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 LED 조광제어 시스템에서 운영 프로그램의 자동조건관리 설정 GUI를 나타낸 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 LED 조광제어 운영 프로그램은 실시간 원격제어 기능을 제공하면서, 사용자의 일정계획 및 조도계획에 따라 연간 자동 운전이 가능하다. 도 7의 운영프로그램 우측 상단 자동조건 설정 버튼을 실행하면 도 11과 같이 자동조건관리 GUI가 나타난다.

도 11의 순번은 사용자가 원하는 점등조건과 조도를 입력할 수 있다. 사육품종 및 부하시기에 따라 조건과 조도 값은 변동된다. 또한 사육환경에 따라 유창계사와 우창계사에 따라서는 조건이 달라지며, 사육농가의 노하우에 따라서 설정하게 된다. 운영프로그램은 각 동별로 일정표를 가지고 있으며, 일정에 따라 조도 관리DB의 순번 테이블을 가지고 와서 운영하게 된다. 이러한 변경 가능한 테이블을 제공하는 것은 나라별 / 계절별 / 농장별 환경에 따른 최적의 조건은 공통되지 않기 때문이다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 LED 조광제어 시스템에서 조광제어장치(200)를 나타낸 사진이고, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 LED 조광제어 시스템에 적용되는 SCR 구동부의 신호흐름과 사진을 나타낸다. 도 12 및 도 13에 나타낸 바와 같이, LED 조광제어장치(200)는 전면부에 조도제어 모듈, 신호처리 모듈, 데이터 표시 및 전송 모듈로 이루어져 있다. LED 조광제어장치(200)는 운영 PC에서 전송되거나, 사용자가 직접 입력한 제어 일정과 설정 조도에 따라 LED전구를 구동하게 된다. 또한 [6KW]급 SCR 구동시 발생하는 열 발산을 위하여 방열판을 구비하였다.(도 13 참조)

이와 같이 본 발명의 실시예에서는 양계농가에서의 생산성을 향상시키기 위한 LED 조광제어 시스템을 제안한 것으로, PC에서 운영되는 소프트웨어 프로그램과 임베디드 장치/펌웨어 프로그램으로 구성된다. 그리고 본 발명의 실시예에 따른 LED 조광제어장치(200)는 대전력 위상제어를 위해 SCR을 사용한다. 특히, 본 발명의 실시예에서는 플리커링 현상을 감소시키기 위한 아날로그 위상동기회로를 적용함으로써, 위상 신호처리 모듈에서 입력 신호의 위상 변화에 동기화된 출력신호를 발생시키고 이를 제어에 이용함으로써 플리커링 현상을 제거시킬 수 있는 LED 조광제어 시스템을 제공한다. 또한, 실험결과 제안한 아날로그 보상 회로에 기반한 조광방법을 적용한 경우에는 플리커링 현상이 발생되지 않음을 알 수 있었다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

100: LED 조명등, 200: 조광제어장치, 210: LED 구동부,
230: 위상제어부, 250: MCU, 270: 통신모듈, 300: 통합제어용 단말

Claims (9)

1. 환기를 위한 환기팬 및 온도조절을 위한 온풍기 또는 열풍기의 제어를 위한 모터가 설치되는 양계장에서,
   상기 양계장에 설치되는 다수의 LED 조명등과;
   상기 LED 조명등을 구동하는 LED 구동부와;
   상기 LED 구동부와 연결되고, 단상 220V 이하의 상용전기하에서 상기 환기팬, 온풍기 또는 모터에 따른 동일한 주파수를 갖는 상기 LED 조명등의 제1입력신호 및 제2 입력신호의 위상차에 대해 각각 위상을 측정하는 제1위상 비교기 및 제2위상 비교기를 구비하고,
   상기 제1 및 제2 위상 비교기를 통해 상기 제1 및 제2 입력신호의 위상차를 산출하는 위상비교기와, 상기 위상비교기를 통과한 상기 제1 및 제2 입력신호를 곱하여 고주파 성분을 제거하는 저역통과필터와, 상기 위상비교기의 위상차에 대해 동기화된 출력신호를 발생시키는 발진기를 포함하는 위상제어부와, 유/무선 통신모듈과, MCU와, 상기 MCU와 연결되어 전력을 제어하는 전력 제어 구동부(SCR)와, 상기 전력 제어 구동부의 구동시 발생하는 열 발산을 위해 방열판을 포함하는 조광제어장치; 및
   상기 통신모듈과 연결되는 통합제어용 단말을 포함하는 것을 특징으로 하는 플리커링 방지를 위한 LED 조광제어 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 통합제어용 단말은,
   PC, 노트북, 테블릿 PC 및 스마트폰 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플리커링 방지를 위한 LED 조광제어 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 통합제어용 단말은,
   상기 양계의 생육 또는 외부환경에 따라 미리 설정된 조도 데이터가 저장된 데이터베이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 플리커링 방지를 위한 LED 조광제어 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 LED 조명등 제어는 사육장 각 동별로 제어 가능하고, 점등 시간이 서로다른 적어도 2개의 점등조건으로 설정 가능한 것을 특징으로 하는 플리커링 방지를 위한 LED 조광제어 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 조광제어장치는,
   점등 정보를 표시하는 표시모듈 및 점등조건을 설정할 수 있는 입력모듈이 구비된 것을 특징으로 하는 플리커링 방지를 위한 LED 조광제어 시스템.
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