KR101891331B1 - 전력 절감 기능이 구비된 친환경 스마트 조명시스템 - Google Patents

Abstract

다양한 조명 색 온도(color temperature)를 만들기 위해 복수의 색 온도를 조합하여 구현하는 경우 발생하는 과도한 소비전력 방지하고, 항상 일정한 소비전력을 유지하며 디밍시에는 전력 절감을 도모할 수 있도록 한 전력 절감 기능이 구비된 친환경 스마트 조명시스템에 관한 것으로서, 사용자의 생체정보 및 환경정보를 획득하는 생체 및 환경정보 획득수단, 수집한 생체정보 및 환경정보를 기초로 사용자의 생체리듬에 대응하는 감성 지수를 산출하여 조명 제어데이터를 출력하는 지능형 조명관리 미들웨어, 조명 제어데이터를 기초로 LED조명의 밝기 및 색상을 제어하는 마스터 조명 컨트롤러 및 조명 제어 데이터에 따라 조명의 색상 및 밝기를 조절하는 슬레이브 조명 컨트롤러를 포함하여 전력 절감 기능이 구비된 친환경 스마트 조명시스템을 구현하며, 마스터 조명 컨트롤러 또는 슬레이브 조명 컨트롤러는 조명 색 온도 구현 시 소비전력이 일정하게 유지되도록 두 가지 색 온도를 조합하여 웜쿨값의 합이 100%가 되도록 색 온도를 구현한다.

Description

전력 절감 기능이 구비된 친환경 스마트 조명시스템{Eco-friendly smart lighting system with power saving function}

본 발명은 전력 절감 기능이 구비된 친환경 스마트 조명시스템에 관한 것으로, 특히 다양한 조명 색 온도(color temperature)를 만들기 위해 복수의 색 온도를 조합하여 구현하는 경우 발생하는 과도한 소비전력을 방지하고, 항상 일정한 소비전력을 유지하며 디밍시에는 전력 절감을 도모할 수 있도록 한 전력 절감 기능이 구비된 친환경 스마트 조명시스템에 관한 것이다.

감성 ICT 기술은 일상생활에서 인간의 감성변화에 의한 자율신경계의 활동에 의해 나타나는 생체신호 및 환경/상황신호, 영상신호, 음성신호 등을 센싱 할 수 있는 초소형/초정밀 센서 기술과, 센싱된 생체신호 및 환경신호를 처리 및 분석하여 이를 기반으로 인간의 감성을 인식, 검증, 규격화하여 정보화하고, 사용상황에 맞게 정보를 처리하여 감성 맞춤형 제품 및 서비스를 제공하는 기술이다.

현재 연구되고 있는 여러 관련 분야들 중 LED 감성조명은 LED 조명이 주는 에너지 절감 효과를 극대화하고, 더 나아가 인간의 감성과 반응하는 효과를 제공할 수 있다. 이러한 추세를 반영하여 이미 외국 선진 업체들은 친환경적인 LED를 개발하고 있으며, 우리나라 또한 시장의 변화에 빠르게 대응하고 있다.

국내의 조명 제어기술은 조명을 중앙 통제하는 시스템 기술, 센서로부터 인체를 감지하여 제어하는 기술, On/Off 및 디밍 제어기술, 플리커 제어 기술 등이 진행되고 있으나, ICT 기반 조명 제어시스템 기술은 아직까지 미비한 수준이다.

국외에서는 와이파이(Wi-Fi)와 저전력 블루투스(Bluetooth)를 이용하여 가전이나 조명을 제어하는 IoT 기술을 개발 중이며, 구글 글래스와 시계, 옷 등 다양한 웨어러블 디바이스와 연동한 기술 개발을 추진 중이다.

주지한 바와 같이, 이전의 조명은 필요한 밝기, On/Off의 제어, 조광과 같은 행위들을 사용자가 스스로 결정하거나 시설되어 있는 조명설비의 초기 설정 값을 변경할 수 없어 이를 그대로 사용하는 수동 조명의 개념이었다. 이에 반해 ICT 기반 스마트 조명은 능동 조명의 개념이다. 조명이 필요한 공간에 대한 사용자의 움직임과 환경특성 등을 감지하고, 상황 및 이벤트에 적합한 조명을 자동으로 연출하여 조명 고유의 기능뿐만 아니라 다양한 조명환경 및 기능을 조명장치 스스로 창출해 낼 수 있는 신개념의 조명시스템이다.

스마트 조명 시스템의 개발이 본격적으로 이루어진 시기는 LED라는 새로운 광원이 일반 조명으로 적용되면서이다. LED는 구동전류를 감소시켜 최대광도의 1% 이내 범위까지도 조광이 가능하고, On/Off 동작에 따른 에너지 소모 및 광원수명의 단축이 발생하지 않기 때문에, 형광램프, 방전램프 등 조명에 사용되던 기존의 광원에 비해 제어의 측면에서 유리하며, 점등·소등 속도가 매우 빠르다. 또한, 광원의 크기가 매우 작기 때문에 조명기구에 대한 디자인적 자유도가 높고, 가스와 필라멘트 등을 사용하지 않으므로 환경오염이 적은 장점도 가지고 있다.

이러한 스마트 조명 시스템에서 다양한 조명 색 온도를 만들기 위해서는 두 가지 색 온도를 조합하여 사용한다.

예컨대, 웜(50W) 100% + 쿨(50W) 100와 같은 형태로 두 가지 색 온도를 조합하여 사용하는 데, 이때 소비전력은 100W가 된다.

IT 융합 스마트 조명에 대한 종래 기술이 하기의 <비 특허문헌 1> 내지 < 비 특허문헌 2> 에 개시되어 있다.

<비 특허문헌 1> 에 개시된 종래기술은 환경, 인간의 행동, 감성, 생리, 건축 등의 각종 요소와 조명의 관계에 대한 지식을 바탕으로 LED, IT, 광학, 디자인, 센서, IC 등 다양한 기술을 접목함으로써 감성을 반영하고, 생활의 편리함을 추구하며, TPO(Time, Place, Occasion)를 반영한 에너지 절감이 가능하도록 구성한 조명시스템을 제공한다.

또한, <비 특허문헌 2> 에 개시된 종래기술은 형광등, LED 디밍 조명, 시스템 조명 등과 같은 조명, 미관과 안전성을 제공하는 조명기구, 조명제어 서버, 센서와 유무선통신을 연결하는 조명 인터페이스, 조명 제어 단말 등으로 구성되어, 조명전기의 에너지 절감과 동시에 생활 편의를 만족하는 ICT 기반 자동제어 조명시스템을 제공한다.

(비 특허문헌 1) 김훈, 이민욱, IT융합 스마트조명 기술, 한국통신학회지, Vol. 28, No.5 Pages 10-14, 2011. (비 특허문헌 2) 정보통신산업진흥원, M2M기술 기반의 스마트 감성조명 개발 방향, 2012.

그러나 상기와 같은 종래의 스마트 LED 조명 시스템은 다양한 조명 색 온도를 만들기 위해서는 두 가지 색 온도를 그대로 조합하여 사용하므로, 과도한 소비전력이 발생하는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 다양한 조명 색 온도(color temperature)를 만들기 위해 복수의 색 온도를 조합하여 구현하는 경우 발생하는 과도한 소비전력 방지하고, 항상 일정한 소비전력을 유지하며 디밍시에는 전력 절감을 도모할 수 있도록 한 전력 절감 기능이 구비된 친환경 스마트 조명시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 단일 생체신호만을 이용한 감성인지를 지양하고 여러 생체신호를 복합적으로 활용하거나 추가로 음성 및 표정 등의 감성 측정 지표를 활용하여 정확하게 감성을 판단할 수 있도록 한 전력 절감 기능이 구비된 친환경 스마트 조명시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 LED 조명의 색과 조도가 인간의 감성과 상태에 영향을 미친다는 기존의 연구 결과를 바탕으로 스마트 빌딩에서의 감성조명 제어 미들웨어 시스템을 제공하여 사용자의 감성에 맞춰 자동으로 조명의 밝기와 색을 조절하도록 한 전력 절감 기능이 구비된 친환경 스마트 조명시스템을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전력 절감 기능이 구비된 친환경 스마트 조명시스템은 사용자의 생체정보 및 환경정보를 획득하는 생체 및 환경정보 획득수단; 상기 생체 및 환경정보 획득수단에서 수집한 생체정보 및 환경정보를 기초로 사용자의 생체리듬에 대응하는 감성 지수를 산출하여 조명 제어데이터를 출력하는 지능형 조명관리 미들웨어; 상기 지능형 조명관리 미들웨어에서 출력되는 조명 제어데이터를 기초로 LED조명의 밝기 및 색상을 제어하는 마스터 조명 컨트롤러; 상기 마스터 조명 컨트롤러로부터 통신으로 전송되는 조명 제어 데이터에 따라 조명의 색상 및 밝기를 조절하는 슬레이브 조명 컨트롤러를 포함하고,

상기 마스터 조명 컨트롤러 또는 상기 슬레이브 조명 컨트롤러는 조명 색 온도 구현 시 소비전력이 일정하게 유지되도록 두 가지 색 온도를 조합하여 색 온도를 구현하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 마스터 조명 컨트롤러는 색 온도 조절을 위한 웜(Warm) 값 및 쿨(Cool) 값을 하기 수식으로 산출하여, 조명 색 온도에 무관하게 소비전력을 일정하게 유지하는 메인 컨트롤 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

<수식>

상기에서 W는 웜 색 온도이고, C는 쿨 색 온도이며, 100은 조도(%)를 나타낸다.

상기에서 슬레이브 조명 컨트롤러는 색 온도 조절을 위한 웜(Warm) 값 및 쿨(Cool) 값을 하기 수식으로 산출하여, 조명 색 온도에 무관하게 소비전력을 일정하게 유지하는 메인 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

<수식>

상기에서 W는 웜 색 온도이고, C는 쿨 색 온도이며, 100은 조도(%)를 나타낸다.

상기에서 마스터 조명 컨트롤러 또는 슬레이브 조명 컨트롤러는 조도에 따라 디밍이 발생하면 디밍 량에 따라 비례적으로 소비전력을 절감하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 마스터 조명 컨트롤러는 수동으로 색 온도 조절 정보가 입력되면, 조도를 100으로 고정하고 웜쿨값의 합이 100이 되도록 색 온도를 조절하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 마스터 조명 컨트롤러 또는 슬레이브 조명 컨트롤러는 둘 중 어느 하나의 컨트롤러가 웜쿨값의 합이 100이 되도록 색 온도를 조절하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 생체 및 환경정보 획득수단은 생체 정보를 획득하는 생체정보 센서와 환경정보를 획득하는 환경센서를 포함하는 정보 획득부; 상기 정보 획득부와 연동하여 생체정보 및 환경정보를 획득하고, 획득한 생체정보 및 환경정보를 상기 지능형 조명관리 미들웨어에 전송하는 정보수집 단말기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 지능형 조명관리 미들웨어는 생체정보 및 환경정보를 기초로 LED 조명 감성 제어를 위한 감성 지수를 산출하되, 생체정보와 환경정보가 모두 획득되지 못하는 경우에는 생체정보와 환경정보를 상호 호환하여 감성지수를 정확하게 산출하는 감성지수 산출부를 포함한다.

상기에서 감성지수 산출부는 뇌파와 심전도를 제1 생체정보로 설정하고, 맥박을 제2 생체정보로 설정하며, 온도/습도/조도를 환경정보로 설정하고, 각각의 정보에 계수를 부여하여 정규화하고, 정규화된 데이터를 감성지수 산출 함수에 대입하여 감성지수를 산출하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 감성지수 산출은 제2 생체정보와 환경정보만 존재하면, 수집된 제2 생체정보의 데이터와 정규화된 계수를 계산하여 감성지수 산출 함수에 제1 생체 정보 대신에 2개의 환경정보와 제2 생체정보만을 적용하여 감성지수를 산출하고, 제1 생체정보와 환경정보만 존재하면, 수집된 제2 생체정보의 데이터에서 심전도(ECG)와 뇌파(EEG)의 비율로 각각 60%와 40%로 설정하고, 제2 생체정보 데이터와 정규화된 계수를 계산하여 감성지수 산출 함수에 제1 생체 정보 대신에 2개의 환경정보와 제2 생체정보만을 적용하여 감성지수를 산출하고, 환경정보만 존재하면 수집된 환경 데이터를 제1 생체정보와 제2 생체 정보 대신에 감성지수 산출 함수에 3개의 환경 정보를 각각 대입하여 감성지수를 산출하고, 상기 제1 및 제2 생체정보와 환경정보가 모두 존재하면 제1 및 제2 생체정보 데이터와 정규화된 계수를 계산하고, 감성지수 산출 함수에 제1 생체정보와 제2 생체정보 및 환경정보를 각각 대입하여 감성지수를 산출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 스마트 LED 조명 시스템에서 다양한 조명 색 온도 구현 시 항상 소비전력을 일정하게 유지할 수 있어, 두 가지 색 온도를 조합하는 경우에도 소비전력 낭비를 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 다양한 조명 색 온도 구현시 항상 소비전력을 일정하게 유지할 수 있어, 조도 상황에 따라 디밍이 발생하면 디밍량에 비례적으로 전력을 더욱 절감할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 생체정보(뇌파, 심전도, 맥박, 기타)와 환경정보(온도, 조도, 습도, 기타)를 기반으로 사용자의 감성 상태를 정확하게 분석하고, 이를 기반으로 조명(특히, LED 조명)의 밝기와 색을 자동으로 조절할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 단일 생체신호만을 이용한 감성인지를 지양하고 여러 생체신호를 복합적으로 활용하거나 추가로 음성 및 표정 등의 감성 측정 지표를 활용하여 정확하게 감성을 판단할 수 있는 장점도 있다.

또한, 본 발명에 따르면 LED 조명의 색과 조도가 인간의 감성과 상태에 영향을 미친다는 기존의 연구 결과를 바탕으로 스마트 빌딩에서의 감성조명 제어 미들웨어 시스템을 이용하여 사용자의 감성에 맞춰 자동으로 조명의 밝기와 색을 조절할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 절감 기능이 구비된 친환경 스마트 조명시스템의 전체 구성도,
도 2는 도 1의 마스터 조명 컨트롤러의 실시 예 블록 구성도,
도 3은 도 1의 슬레이브 조명 컨트롤러의 실시 예 블록 구성도,
도 4는 SHT11 센서의 데이터 형태도,
도 5는 STH11 센서의 명령어 코드 예시도,
도 6은 EEG 데이터 송수신 프로세스도,
도 7은 ECG 데이터 송수신 프로세스,
도 8은 센서데이터 수신과 이벤트의 정의 예시도,
도 9는 생체리듬 지수에 따른 대응 감성 컬러표,
도 10은 뇌파의 파형별 주파수 대역과 상태표,
도 11은 맥박에 대한 감성지수 적용표,
도 12는 불쾌지수와 사용자 상태 관계도,
도 13은 감성지수의 정규화 및 최적화 과정 예시도,
도 14는 환경정보를 이용한 대응색상표,
도 15는 색채별 감성의 척도,
도 16은 색채감성 척도에 대비한 감성언어 예시도,
도 17은 감성 정의를 위한 감성 평가 언어 예시도,
도 18은 감성에 대비되는 색 온도,
도 19는 CIE 1931색도 좌표계,
도 20은 감성지수에 따른 RGB 값 예시도,
도 21은 색 온도에 해당하는 RGB 값,
도 22는 감성 조명 제어관리 미들웨어 구조도,
도 23은 앱의 설계 화면으로서, 개인정보 관리 및 룸 설정 화면 예시도,
도 24는 서비스 제어 및 관리를 위한 앱의 메인 화면 예시도,
도 25a 및 도 25b는 앱의 설계 화면으로서, 센서 정보 열람 예시도,
도 26a 및 도 26b는 앱 설계 화면으로서, 조명 컨트롤 예시도,
도 27a 및 도 27b는 본 발명에서 소비전력 절감을 위한 색 온도 조합 알고리즘의 예시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 절감 기능이 구비된 친환경 스마트 조명시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 절감 기능이 구비된 친환경 스마트 조명제어장치의 전체 구성도이다.

본 발명에 따른 전력 절감 기능이 구비된 친환경 스마트 조명제어장치는 생체 및 환경정보 획득수단(10), 지능형 조명관리 미들웨어(300), 마스터 조명 컨트롤러(400) 및 슬레이브 조명 컨트롤러(500)를 포함한다.

상기 생체 및 환경정보 획득수단(10)은 사용자의 생체정보 및 환경정보를 획득하는 역할을 한다. 이러한 생체 및 환경정보 획득수단(10)은 사용자의 뇌파(EEG), 심전도(ECG), 맥박, 근전도, 피부전도도, 피부 온도를 생체 정보로 획득하고, 온도, 습도 및 조도를 환경 정보로 획득하는 것이 바람직하다.

상기 생체 및 환경정보 획득수단(10)은 생체 정보를 획득하는 생체정보 센서와 환경정보를 획득하는 환경센서를 포함하는 정보 획득부(100)를 포함하고, 상기 정보 획득부(100)는 통신을 통해 획득한 정보를 상기 지능형 조명관리 미들웨어에 직접 전송하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 생체 및 환경정보 획득수단(10)은 상기 정보 획득부(100)와 연동하여 생체정보 및 환경정보를 획득하고, 획득한 생체정보 및 환경정보를 상기 지능형 조명관리 미들웨어(300)에 전송하는 정보수집 단말기(200)를 포함한다.

이러한 정보수집 단말기(200)는 LED조명의 밝기 및 색상을 자동으로 제어한 후, 사용자로부터 입력된 평가정보를 상기 지능형 조명관리 미들웨어(300)에 전송해주는 것이 바람직하다.

또한, 상기 정보수집 단말기(200)는 조명 제어 애플리케이션을 통해 감성지수 및 생체 정보 및 환경정보를 열람하고, 사용자의 키 입력장치를 통한 조작에 따라 LED 조명의 색상과 밝기를 직접 조절하고, LED 조명의 색상과 밝기 조절 데이터를 상기 지능형 조명관리 미들웨어(300)에 전송한다.

여기서 정보수집 단말기(200)는 리모컨과 같은 역할을 할 수 있으며, 생체 및 환경 정보 수집을 위한 애플리케이션을 이용하여 생체 및 환경 정보를 수집하는 스마트폰을 이용할 수 있다.

상기 지능형 조명관리 미들웨어(300)는 상기 생체 및 환경정보 획득수단(10)으로부터 수집한 생체정보 및 환경정보를 기초로 사용자의 생체리듬에 대응하는 감성 지수를 산출하고, 산출한 감성지수에 따라 LED 조명 제어를 위한 프로파일을 생성하여 조명 제어데이터를 출력하는 역할을 한다. 이러한 지능형 조명관리 미들웨어는 서버라고 할 수 있다.

예컨대, 지능형 조명관리 미들웨어(300)는 생체 및 환경 데이터 지수를 산출 및 융합하고, 퍼스널 생체데이터 패턴과 이동경로에 따른 환경 패턴을 분석하고, 각각 분석한 결과 정보를 기초로 개인 취향을 분석하여 LED 조명 제어를 위한 프로파일을 생성하여 조명을 제어하는 역할을 한다.

이러한 지능형 조명관리 미들웨어(300)는 생체정보 및 환경정보를 기초로 LED 조명 감성 제어를 위한 감성 지수를 산출하되, 생체정보와 환경정보가 모두 획득되지 못하는 경우에는 생체정보와 환경정보를 상호 호환하여 감성지수를 정확하게 산출하는 감성지수 산출부(320)를 포함한다.

상기 감성지수 산출부(320)는 생체 정보 및 환경 정보를 기초로 생체/환경 데이터에 대한 불쾌지수 및 감성지수를 산출하고 이를 융합하는 지수 산출 및 융합모듈, 상기 생체 정보를 기초로 퍼스널 생체데이터 패턴을 분석하는 생체데이터 패턴 분석모듈, 상기 환경 정보를 기초로 이동경로에 따라 환경 패턴을 분석하는 환경패턴 분석모듈을 포함할 수 있다.

상기 감성지수 산출부(320)는 뇌파와 심전도를 제1 생체정보로 설정하고, 맥박을 제2 생체정보로 설정하며, 온도/습도/조도를 환경정보로 설정하고, 각각의 정보에 계수를 부여하여 정규화하고, 정규화된 데이터를 감성지수 산출 함수에 대입하여 감성지수를 산출하는 것이 바람직하다.

상기 감성지수 산출은 제2 생체정보와 환경정보만 존재하면, 수집된 제2 생체정보의 데이터와 정규화된 계수를 계산하여 감성지수 산출 함수에 제1 생체 정보 대신에 2개의 환경정보와 제2 생체정보만을 적용하여 감성지수를 산출하고, 제1 생체정보와 환경정보만 존재하면, 수집된 제2 생체정보의 데이터에서 심전도(ECG)와 뇌파(EEG)의 비율로 각각 60%와 40%로 설정하고, 제2 생체정보 데이터와 정규화된 계수를 계산하여 감성지수 산출 함수에 제1 생체 정보 대신에 2개의 환경정보와 제2 생체정보만을 적용하여 감성지수를 산출하고, 환경정보만 존재하면 수집된 환경 데이터를 제1 생체정보와 제2 생체 정보 대신에 감성지수 산출 함수에 3개의 환경 정보를 각각 대입하여 감성지수를 산출하고, 상기 제1 및 제2 생체정보와 환경정보가 모두 존재하면 제1 및 제2 생체정보 데이터와 정규화된 계수를 계산하고, 감성지수 산출 함수에 제1 생체정보와 제2 생체정보 및 환경정보를 각각 대입하여 감성지수를 산출하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 지능형 조명관리 미들웨어(300)는 상기 생체 및 환경정보 획득수단(10)으로부터 전송된 생체 정보 및 환경 정보를 데이터베이스화하는 퍼스널 데이터베이스(310), 상기 감성지수 산출부(320)에서 산출한 감성지수 및 분석 결과를 기초로 개인 취향을 분석하고, 분석한 개인 취향에 따라 프로파일을 생성한 후, 조명 제어 데이터를 생성하여 출력하는 개인 취향 분석 및 프로파일 생성부(330)를 포함한다.

상기 마스터 조명 컨트롤러(400)는 상기 지능형 조명관리 미들웨어(300)에서 출력되는 조명 제어데이터를 기초로 LED조명의 밝기 및 색상을 제어하는 역할을 한다.

이러한 마스터 조명 컨트롤러(400)는 도 2에 도시한 바와 같이, +5V 어댑터(ADAPTER) 혹은 슬레이브 조명 컨트롤러(500)에서 전송된 POWER를 입력받아 장치 내부의 모든 모듈의 동작에 필요한 정전압을 공급하는 정전압기(401), 스마트폰 애플리케이션으로부터 블루투스를 통해 전송된 조명 제어데이터 또는 PC 또는 서버의 전용 프로그래밍 U.I로부터 WI-FI를 통해 전송된 조명 제어데이터를 입력받는 조명 제어데이터 입력부(402), 장치를 매뉴얼로 운용시 각 LED 색상의 양 및 밝기의 설정 값을 표시하는 표시부(403), 장치를 매뉴얼로 운용시 각 LED 색상의 양 및 밝기를 선택하기 위한 조작부(404), 상기 입력부를 통해 입력된 조명 제어 데이터 또는 상기 조작부를 통해 설정된 LED 색상의 양 및 밝기의 설정 값에 따라 LED 램프의 COLOR 및 조도를 제어하는 조명 제어신호를 출력하는 메인 컨트롤 유닛(405), 상기 메인 컨트롤 유닛(405)에서 전송된 조명 제어신호를 RS-485 통신을 통해 슬레이브 조명 컨트롤러(500)에 전송하는 통신부(406)를 포함한다.

상기 메인 컨트롤 유닛(405)은 조명 색 온도 구현 시 소비전력이 일정하게 유지되도록 두 가지 색 온도를 조합하여 색 온도를 구현하는 것이 바람직하다.

특히, 상기 메인 컨트롤 유닛(405)은 색 온도 조절을 위한 웜(Warm) 값 및 쿨(Cool) 값을 하기 [수학식 1]로 산출하여, 조명 색 온도에 무관하게 소비전력을 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.

상기에서 W는 웜 색 온도이고, C는 쿨 색 온도이며, 100은 조도(%)를 나타낸다.

이러한 마스터 조명 컨트롤러(400)는 수동으로 색 온도 조절 정보가 입력되면, 조도를 100으로 고정하고 웜쿨값의 합이 100이 되도록 색 온도를 조절하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 슬레이브 조명 컨트롤러(500)는 상기 마스터 조명 컨트롤러(400)로부터 통신으로 전송되는 조명 제어 데이터에 따라 LED 조명의 색상 및 밝기를 조절하는 역할을 한다.

이러한 슬레이브 조명 컨트롤러(500)는 도 3에 도시한 바와 같이, 입력받은 상용 전원에 과전압 및 과전류가 흐를 경우 단선 되어 장치를 보호하는 퓨즈(501), 바리스터를 사용하여 낙뢰 혹은 입력에 순간적인 PEAK 전압이 인가될 경우 회로를 보호하는 입력 서지 보호기(502), L(LINE FILTER)과 C(CAPACITOR)를 사용하여 회로 동작시 발생하는 전자기(CONDUCTION, 전도성) 노이즈와 고주파(RADIATION, 방사성) 노이즈가 외부로 방출되는 것을 억제하는 전자파 필터(EMI FILTER)(503), 최초 전원 투입시에 순간적으로 발생하는 PEAK 전류를 제한하는 돌입전류 보호기(504), 입력 전원을 정류하는 제1정류기(505), 전압과 전류 사이에 발생하는 위상의 차이를 동일하게 맞추어 입력 손실을 방지하는 역률 보상기(POWER FACTOR CORRECTION)(506), 원하는 출력 전압을 얻기 위해 입력 전원을 스위칭하는 주 스위칭부(MAIN SWITCHING)(507), 상기 주 스위칭부(507)의 스위칭에 따라 1차측 입력 전원을 2차 측으로 유기하는 트랜스포머(508), 상기 트랜스포머(508)의 출력 전압을 정류하는 제2정류기(509), 상기 제2정류기(509)에서 정류한 DC 전압의 RIPPLE 성분을 제거하여 양질의 DC 전압을 생성하는 노이즈 필터(510), 상기 제2정류기(509)의 출력 전압을 소정 레벨의 정전압으로 만들어 상기 마스터 조명 컨트롤러(400)에 공급하는 정전압기(511), 상기 노이즈 필터(510)를 통해 출력되는 출력 전압을 감시하는 전압 검출기(512), 상기 트랜스포머(507)의 1차와 2차를 분리시키는 절연기(513), 조명 역할을 하는 LED 램프(517), 상기 마스터 조명 컨트롤러(400)에서 통신으로 전송된 조명 제어데이터를 수신하는 통신부(514), 상기 통신부(514)에서 수신한 조명 제어 데이터에 따라 상기 LED 램프(517)의 DRIVE 전압 제어를 하여 LED 조명의 컬러와 조도를 조절하는 메인 제어 유닛(515), 상기 메인 제어 유닛(515)에서 발생하는 드라이브 전압 제어를 기초로 상기 LED 램프(517)의 조명을 구동하는 LED 구동기(516)를 포함한다.

상기 메인 제어 유닛(515)은 색 온도 조절을 위한 웜(Warm) 값 및 쿨(Cool) 값을 상기 <수학식 1> 로 산출하여, 조명 색 온도에 무관하게 소비전력을 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.

여기서 마스터 조명 컨트롤러(400) 또는 슬레이브 조명 컨트롤러(500)는 조도에 따라 디밍이 발생하면 디밍 량에 따라 비례적으로 소비전력을 절감하게 된다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 생체신호 및 환경변화에 따른 친환경 스마트 조명제어장치의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 특정 공간에 주거하는 사용자의 감성에 기반하여 스마트 LED 조명을 자동으로 제어한다. 사용자의 생체리듬 및 환경변화를 자동으로 감지하여 사용자에게 최적화된 조명시스템을 제공하는 것이다. 라이프로그 분석에 의하여 동시에 100개 이상의 LED 조명을 컨트롤할 수 있는 기술로서, 생체 및 환경 정보에 기반하여 감성조명을 제공하는 IT 기술 융합 첨단 기술이며, 사용자의 편의와 삶의 질을 향상시킬 수 있는 효과적인 기술이다.

이를 위해, 생체 및 환경정보 획득수단(10)의 정보 획득부(100)는 사용자의 생체정보 및 환경정보를 획득하여 지능형 조명관리 미들웨어(300)에 직접 전달하거나, 정보 수집기(200)에 전달한다.

여기서 생체정보는 뇌파와 심전도 및 맥박, 피부전도도, 피부 온도를 사용자의 감성을 분석하는 지표로 획득한다. 본 발명에서는 획득한 다양한 생체정보 중 뇌파와 심전도 및 맥박만을 이용하는 것을 실시 예로 설명하며, 뇌파와 심전도 및 맥박은 기존에 알려진 다양한 측정장치를 그대로 채택하여 측정하는 것이 바람직하다. 특히, "락싸"의 QEEG-8, QECG-3 제품을 이용할 수 있다.

아울러 QEEG-8은 동시에 8개의 부위에서 뇌파 측정이 가능하며, 측정 중 이벤트에 대한 마킹이 가능해 측정의 신뢰도를 높일 수 있다.

또한, QECG-3은 양 팔목, 양 발목에 전극을 부착하는 표준 사지유도법에 의해서 Lead Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ 심전도 신호를 측정하며, 사지전극 부착방식이므로 착의/착석 상태에서도 심전도 측정이 가능하다는 장점이 있다.

환경정보는 온도 센서, 습도 센서 및 조도 센서를 이용하여 온도, 습도, 조도를 환경 정보로 취득한다. 환경 센서는 알려진 다양한 환경 센서를 그대로 채택하여 사용할 수 있으나, 본 발명자는 "한백 전자"의 HBE-ZigbeX Ⅱ를 이용하였다.

이렇게 획득되는 생체정보 및 환경정보는 지능형 조명관리 미들웨어(300) 또는 정보수집 단말기(200)로 전송된다.

여기서 정보 획득부(100)와 정보수집 단말기(200) 간에는 다양한 통신을 통해 획득한 데이터를 송수신하는 것이 가능하다.

환경 센서의 경우, ZigbeX 장비를 통해서 온도, 습도, 조도 데이터를 취득한다. ZigbeX는 9개의 싱크 노드로 구성되어 있으며, 노드는 1개의 루트 노드와 8개의 서브 노드로 구성되어 있다. ZigbeX에서 온도, 습도, 조도를 측정하기 위한 센서는 SHT11이며, 센서 모트의 CPU Pin과 직접적으로 연결되어 있다. SHT11 센서는 측정한 값을 디지털 신호로 바꾸는 AD 기능이 자체적으로 포함하고 있어 센싱한 데이터를 바로 CPU로 전송한다.

도 4는 SHT11 센서의 데이터 형태 예시이다.

SHT11로부터 측정된 센싱 값을 읽기 위해서는 CPU와 연결된 두 라인을 통해 일정한 클록과 명령어를 입력시켜야 한다. 도 4는 CPU에서 센서로부터 측정된 데이터를 받기 위한 클록 타이밍과 명령어의 입력 방식을 보여준다. CPU는 데이터 라인을 통해 비트 단위의 명령어를 SHT11 센서와 주고받은 후 실제 센싱 값을 얻어온다. 데이터 라인은 클록 신호가 HIGH일 때만 값을 읽어 오며, 이때 데이터 라인의 신호는 변하지 않는다. 전송을 시작하기 전 전송 시작을 알리는 펄스를 먼저 입력한 후 주소 비트와 명령어를 SHT11에 보내고 센서 데이터를 읽어온다. SHT11 칩에 전송되는 명령어는 도 5와 같다.

CPU는 명령어를 전송한 후, SHT11 센서가 습도 측정을 완료할 때까지 기다리게 된다. 12비트의 습도 데이터를 얻기 위해 약 55mx 정도의 시간이 소요된다. 측정이 완료되면 SHT11은 데이터 라인을 LOW로 만들어 준 후 CPU에 데이터를 전송한다. CPU는 데이터 라인을 통해 12비트의 측정된 데이터를 읽어온 후, CRC 에러 체크 필드의 내용에 따라 ACK 전송 여부를 결정한다. 이때 데이터를 읽어 올 수 없다면 Reset을 통해 SHT11과의 접속을 갱신한다. SHT11센서를 내장하고 있는 ZigbeX는 각각의 싱크 노드에서 측정된 온도, 습도, 조도에 대한 정보를 0번 싱크(Root node)로 전송한다.

ZigbeX Mote를 통해서 환경 센서 정보 획득 방법으로서, TreeRouting 기법을 사용하여 Mote 간의 네트워크를 구성한다. Sink 노드(root)인 Mote를 지정(Mote 0)하고, Sink 노드는 각각의 노드(Mote)에서 센싱된 데이터를 취합한다. 시리얼 통신 통해 Sink 노드는 Server로 환경 센서 정보 전송한다. Server에서는 환경 데이터 확인 및 센싱 주기 설정이 가능하다. 여기서 서버는 정보수집 단말기가 되거나 지능형 조명관리 미들웨어가 될 수 있다.

다음으로, 뇌파/심전도 데이터 송수신 방식은 다음과 같다.

뇌파, 심전도, 맥박과 같은 생체신호 데이터는 환경 센서와 다르게 개인화된 데이터로서 웨어러블 장비와 블루투스로 연결되어 정보 획득부(100)에 수신된다. 정보 획득부(100)와 블루투스로 연결된 각각의 장비는 주기별로 데이터를 정보 수집기(200) 또는 서버(지능형 조명관리 미들웨어)로 전송된다.

본 발명에서는 주지한 바와 같이, 뇌파와 심전도데이터 측정을 위해 QEEG-8, QECG-3 측정 장비를 사용했기 때문에 TCP/IP를 통해 서버 또는 정보 수집기와 연결한다.

뇌파의 경우 8개의 전극에서 취득되는 8채널 데이터로 1개의 패킷 당 42바이트가 전송된다. 샘플링 주파수는 256Hz로 초당 256 패킷을 전송해야 한다. 데이터의 구조는 도 6에 도시한 바와 같이, EEG/ECG를 구분하는 6바이트 헤더와 1 ~ 256까지의 인덱스가 있으며, 채널당 4바이트의 Raw-data를 전송한다.

수신된 Raw-Data는 실시간 처리와 감성 정보 추론을 위해 2초 단위로 나눠진 데이터 큐에 저장된다. 2초의 버퍼 크기는 FFT를 통해 의미 있는 데이터를 수집할 수 있는 최소 단위다. 데이터 큐에 저장된 2초의 Raw-Data는 채널별로 FFT를 통해 주파수 도메인으로 변경되며 이후 파워 스펙트럼을 통해 세타, 알파, 베타, 감마에 해당하는 주파수 대역의 파워 값으로 저장된다.

심전도의 경우 3개의 채널에서 취득되는 신호를 1개의 패킷 당 20바이트로 나뉘어 전송된다. 전송되는 패킷의 구조는 도 7에 도시한 바와 같이, ECG 신호임을 알리는 6바이트의 헤더와 인덱스, 데이터로 구성된다.

인덱스는 256Hz로 샘플링된 심전도 신호의 시간 데이터와 동기화할 수 있도록 1 ~ 256까지의 인덱스를 담은 2바이트 데이터이며, Raw-data는 3개의 채널 각각 4바이트씩으로 구성되어 있다. 심전도 역시 초당 256 패킷이 전송된다. 심전도 신호는 뇌파와 달리 구간을 나누지 않고 측정된 시간에서 발생하는 교감신경/부교감신경의 비율을 관찰한다.

먼저, 심전도의 특성 중 하나인 Q, R, S 파형을 검출하기 위해 Moving Average Filter를 통해 신호의 높낮이를 완만하게 만든다. QRS 신호를 검출하기 위해서는 여러 가지 방법이 쓰이지만 본 발명에서는 기울기 검출을 통해 Positive Peak와 Negative Peak를 찾아 각각 Q, R, S의 신호로 검출한다. 검출된 QRS 신호에서 R파형간의 인덱스 거리를 나타내는 R-R interval을 추출하고, 도 7의 좌측 하단과 같이 시간별로 변하는 R-R interval의 심박변이도(HRV)를 계산한다. 심박 변이도는 시간별로 변하는 사용자의 심박에 대한 시계열 데이터로 FFT와 스펙트럼 분석을 통해 교감신경, 부교감신경의 정보를 취득할 수 있다.

맥박 정보는 스마트 밴드에서 블루투스로 연결된 정보 획득부(100) 또는 정보 수집 단말기(200)로 전송된다. 본 발명에서 사용한 스마트 밴드는 삼성 갤럭시 기어로 타이젠 OS 기반으로 된 스마트 밴드와 안드로이드 기반인 스마트폰 사이의 통신이 필요하다. 타이젠 블루투스 API를 통해 스마트 밴드에서 측정되는 사용자의 맥박 정보를 실시간으로 스마트폰으로 전송한다. 스마트폰에 수신된 맥박 정보는 서버로 XML 파싱을 통해 저장된다. Post 방식으로 전송 폼에 맞게 파싱하면 서버에서 형식을 검사하고 DB에 입력한다.

정보수집 단말기(200) 역시 상기 정보 획득부(100)에서 획득한 생체정보 및 환경정보를 서버인 지능형 조명관리 미들웨어(300)에 전송한다. 여기서 생체 및 환경정보 획득수단(10)에서 생체 정보 및 환경정보 획득 및 전송하는 시점은 실시간 또는 미리 설정된 주기로 할 수 있다. 실시간으로 할 경우 너무 잦은 데이터 통신이 발생하므로, 감성을 충분히 전달할 수 있는 주기를 설정하고 주기적으로 발생하는 방식이 여러모로 적합하다고 할 수 있다. 다만, 주기적으로 획득 정보를 전송하는 방식으로 운영할 경우, 실시간으로 정보를 획득하되 이벤트 발생(이전 대비 생체정보나 환경정보가 변경된 경우)시에는 바로 이벤트 발생 시점에서 정보를 전송하는 것이 바람직하다.

다음으로, 지능형 조명관리 미들웨어(300)는 상기 생체 및 환경정보 획득수단(10)으로부터 전송된 생체정보 및 환경정보를 퍼스널 데이터베이스(310)에 등록한다. 여기서 생체정보 및 환경정보를 퍼스널 데이터베이스(310)에 등록할 때, 단말기를 구분하기 위한 고유정보가 부여된 것으로 가정한다.

따라서 퍼스널 데이터베이스(310)에 생체정보 및 환경정보를 등록할 때 고유 정보를 기반으로 등록함으로써, 추후 각각의 사용자별로 감성지수를 산출하는 것이 가능해진다.

상기 지능형 조명관리 미들웨어(300)의 감성지수 산출부(320)는 상기 퍼스널 데이터베이스(310)에 저장된 생체 정보 및 환경 정보를 기초로 생체/환경 데이터에 대한 감성지수를 산출하고, 산출한 감성지수에 대응하는 색과 밝기로 LED 조명을 제어하기 위한 조명 제어데이터를 산출한다.

감성 분류를 위해 HP(Hewlett-Packard)의 "The Meaning of Color"에서 정해 놓은 20개의 컬러 감성 모델을 기반으로 대표 컬러 요소를 선정하되, 도 9와 같은 생체리듬 지수에 따라서 5가지로 감성을 분류하여 감성지수 산출 알고리즘에 적용한다.

아울러 뇌파와 심전도 데이터는 복합 생체신호 분석을 통해 생체 리듬 지수로 산출한다.

뇌파의 경우 델타, 알파, 베타, 감마에 해당하는 각각의 파형의 비율을 상대파워라고 하며, 사용자의 감성상태를 판단하는 지표로 활용한다. 도 10은 각 파형의 주파수 대역과 상태를 나타낸 것이다.

심전도의 경우 P, Q, R, S, T에 해당하는 특징을 갖는 파형이 반복된다. 여기서 R은 심전도 파형의 가장 높은 피크 값을 의미하며, R 피크의 주기는 사용자의 맥박을 의미한다.

심전도의 R 피크 주기는 HRV(Heart Rate Variability)라는 시계열 데이터로 표현할 수 있다. HRV의 0.004 ~ 0.15Hz는 교감신경의 활동성의 지표이며, 0.15 ~ 0.4Hz는 부교감 신경의 활동성에 대한 지표이다.

본 발명에서는 심전도에서 교감신경과 부교감신경의 비율을 뇌파 상대파워와 함께 복합 생체 신호를 분석하는 특징 데이터로 사용한다. 아울러 심전도에서 검출된 맥박은 생체리듬 지수를 산출하는 보조 지표로 사용되어 복합 생체신호의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

감성 지수를 추출하기 위한 정보는 주지한 바와 같이 생체신호 1(뇌파/심전도), 생체신호 2(맥박), 환경정보(온도/습도/조도)로 이루어진다. 3가지의 정보를 종합해 사용자의 감성 지수를 추론한 후 사용자에게 필요한 조명을 제공한다.

지능형 조명관리 미들웨어(300)의 수신 데몬은 생체신호 1, 생체신호 2, 환경 센서 데이터를 수시로 수신받는다. 그 중 취득 주기가 가장 빈번한 환경 센서 데이터가 수신되면 새로운 Event를 생성한다. 환경 센서 데이터가 취득되면 Sensor Event는 수신된 데이터를 검사한다. Boo 형식으로 저장된 각각의 센서 튜플에 입력된 센서의 데이터를 True로 배정한다. 처음으로 환경 데이터 센서가 취득되면 조도(e_ILLU), 온도(e_Humi), 습도(e_Tempo) 값이 True로 변하면서 새로운 Event 번호가 추가된다.

다음 환경센서의 취득 주기가 오기 전에 ECG, EEG, Pulse와 같은 생체신호 데이터가 취득이 되면, 현재의 Event 번호에 속하게 되며 SensorEvent에서 현재 Event 번호에 해당하는 뇌파(e_EEG), 심전도(e_ECG), 맥박(e_pulse) 튜플 중 입력된 신호가 True로 변경된다.

이벤트 번호를 통해 들어온 데이터를 구분하고 검사하는 이유는 3가지 정보 중 누락되는 신호가 있더라도 감성을 추출하고 조명을 제어하기 위해서이다. 예를 들어 Room 1에 환경 센서가 4개 부착되어 있고 안에 사용자가 없거나, 사용자가 1명 있지만 맥박 센서만을 착용하고 있을 경우와 같이 상황에 맞는 조명 제어를 제공하기 위해 Event 번호와 주기를 검사한다.

수신 데몬에 입력되는 생체 신호는 각각의 신호에 맞는 전처리 과정을 통해 감성 지수 추출을 위한 정보로 정제된다.

예컨대, 생체신호 1(뇌파/심전도) 데이터 생성은 다음과 같다.

뇌파의 경우 사용자의 각성 상태를 분석하기 위해 FFT를 통해 주파수 도메인으로 변경 후 파워 스펙트럼을 통해 쎄타(4~8Hz), SMR(12~15Hz), 미드베타(15~20Hz)의 파워 값을 추출한다. 일반적으로 쎄타는 수면, 명상과 같은 행위에서 높게 발생하며 SMR, 미드 베타파는 흥분, 각성 상태에서 높게 발생한다. 따라서 본 발명에서 하기의 [수학식 2] 를 통해 뇌파의 각성 상태를 분석한다.

상기 [수학식 2] 에서 알 수 있듯이 뇌파의 비 각성 상태와 각성 상태의 파형의 비율을 계산해 각성한 정도를 수식화한다.

심전도의 경우 수신된 데이터에서 Moving Average Filter와 QRS Detection을 통해 심전도의 Q, R, S 특징을 검출한다. Q, R, S 특징 검출을 위한 Peak값 검출은 하기의 [수학식 3]을 이용하여 산출한다.

R 피크는 다음의 [수학식 4] 를 통해 시간의 차와 축적 시간으로 구성된 시계열 정보 HRV로 변환된다.

HRV 역시 뇌파와 마찬가지로 FFT와 파워 스펙트럼 분석으로 교감신경(LF: 0.04 ~ 0.15㎐)과 부교감신경(HF: 0.15 ~ 0.4㎐)의 파워 값으로 변환된다.

교감 신경과 부교감신경은 평상시 일반 활동 중에 교감이 부교감 신경보다 6:4의 비율로 약간 더 활성화되어 있는 것을 정상으로 본다.

따라서 본 발명에서는 자율신경계 비율(LF/HF)을 통해 사용자의 감성상태를 쾌, 불쾌로 분류한다. 일반적인 실험에서 자율신경계 비율은 약 1.5가 정상치로 나타났고, 공포와 화남, 혐오와 같은 감성에서는 최대 2.5의 수치를 보였다.

뇌파와 심전도 복합 생체 신호는 3개의 감성 지수 중 하나의 값으로 계산되며, 각성 상태에서 심전도의 교감신경과 부교감신경 비율의 신뢰도가 더 높기 때문에 6:4의 비율로 하기의 [수학식 5]와 같이 심전도와 뇌파 신호를 정의한다.

맥박 데이터의 경우 Event 번호 주기 내의 변화율의 평균값을 통해 사용자의 감성 정보를 추론한다. 도 11은 맥박 평균값에 대한 생체신호지수 그리고 사용자의 추론 감성을 나타낸 것이다.

마지막으로 환경센서에서 입력된 데이터는 현재 공간의 불쾌지수를 계산할 수 있는 지수가 된다.

불쾌지수란 기온과 습도의 조합으로 사람이 느끼는 온도를 표현한 것으로 온습도지수(THI)라고도 하며, 개인에 따라 쾌감 대의 범위가 다른 것처럼 불쾌지수 값에 따라 불쾌감을 느끼는 정도도 개인에 따라 약간의 차이가 있지만 실내환경의 쾌적 정도를 알 수 있기 때문에 사용자의 감성에 영향을 준다.

환경 센서는 온도, 습도, 조도의 데이터를 취득할 수 있지만, 불쾌지수는 센서의 온도, 습도 정보를 사용하며, 조도의 경우 출력된 LED 조명의 조도, 색 온도의 값을 확인하기 위해 사용된다. 불쾌지수는 다음과 같은 [수학식 6]으로 산출된다.

여기서 T는 기온(℃), RH는 습도(%)를 나타낸다.

불쾌지수의 값에 해당하는 범위와 쾌적 상태는 도 12와 같다.

생체신호 1, 생체신호 2 그리고 환경 데이터를 통해 사용자에게 알맞은 조명을 제공하기 위해 3개의 지수를 정규화하여 백분율로 표현한다. 정규화를 위해서는 각각의 데이터에 계수를 부여하고 감성지수를 산출해야 한다. 이때 각각의 신호에 대한 계수는 사용자의 평가 및 피드백을 통해 지속적으로 지수 산정 및 계수 조정이 이뤄지고 훈련이 거듭 될수록 사용자에게 알맞은 맞춤 프로파일이 생성되게 된다. 감성지수의 정규화 및 최적화 과정은 도 13과 같다.

여기서 본 발명의 특징은 상기 감성지수 산출부(320)에서 생체정보 및 환경정보를 기초로 LED 조명 감성 제어를 위한 감성 지수를 산출하되, 입력되는 생체정보의 종류와 환경정보가 모든 획득되지 않아도 생체정보와 환경정보를 상호 호환하여 감성지수를 정확하게 산출할 수 있다는 것이다.

예컨대, 상기 감성지수 산출부(320)는 뇌파와 심전도를 제1 생체정보로 설정하고, 맥박을 제2 생체정보로 설정하며, 온도/습도/조도를 환경정보로 설정하고, 각각의 정보에 계수를 부여하여 정규화하고, 정규화된 데이터를 감성지수 산출 함수에 대입하여 감성지수를 산출한다. 여기서 정규화를 위한 계수는 제1 생체 정보 = 30%, 제2 생체정보 = 30%, 환경 정보 = 40%로 부여한다.

이때, 감성지수 산출 시 제2 생체정보와 환경정보만 존재하면, 수집된 제2 생체정보의 데이터와 정규화된 계수를 계산하여 감성지수 산출 함수에 제1 생체 정보 대신에 2개의 환경정보와 제2 생체정보만을 적용하여 감성지수를 산출한다.

아울러 제1 생체정보와 환경정보만 존재하면, 수집된 제2 생체정보의 데이터에서 심전도(ECG)와 뇌파(EEG)의 비율로 각각 60%와 40%로 설정하고, 제2 생체정보 데이터와 정규화된 계수를 계산하여 감성지수 산출 함수에 제1 생체 정보 대신에 2개의 환경정보와 제2 생체정보만을 적용하여 감성지수를 산출한다.

또한, 환경정보만 존재하면 수집된 환경 데이터를 제1 생체정보와 제2 생체 정보 대신에 감성지수 산출 함수에 3개의 환경 정보를 각각 대입하여 감성지수를 산출한다.

마지막으로, 상기 제1 및 제2 생체정보와 환경정보가 모두 존재하면 제1 및 제2 생체정보 데이터와 정규화된 계수를 계산하고, 감성지수 산출 함수에 제1 생체정보와 제2 생체정보 및 환경정보를 각각 대입하여 감성지수를 산출한다.

이러한 방식으로 감성지수를 산출하면, 2개의 생체정보와 3개의 환경정보를 모두 획득하지 못하는 경우에도, 항상 정확한 감성지수의 산출이 가능해지게 되는 것이다.

한편, 개인 취향 분석 및 프로파일 분석부(330)는 상기 획득한 개인별 생체 정보를 기초로 생체데이터 패턴을 분석한다. 생체데이터 패턴이란 생체 리듬을 판단하기 위한 패턴이다. 예컨대, 생체 리듬이 어떻게 변하는가 패턴 분석한다. 아울러 개인 취향 분석 및 프로파일 분석부(330)는 상기 획득한 해당 공간의 환경 정보를 기초로 환경정보의 패턴을 분석한다. 예컨대, 환경 정보가 어떤 형태의 패턴으로 변경되는지를 분석한다.

이어, 상기 개인 취향 분석 및 프로파일 생성부(330)는 상기 산출한 감성지수 및 불쾌지수, 생체데이터 패턴 분석 결과와 환경패턴 분석 결과를 기초로 개인 취향을 분석하고, 분석한 개인 취향에 따라 프로파일을 생성한 후, 조명 제어 데이터를 생성하여 출력한다.

여기서 개인 취향에 따른 프로파일을 생성할 때, 감성지수, 사용자의 성별/연령대별 불쾌지수와 연동된 LED 색 온도 데이터베이스를 구축하고, 축적된 데이터에 대한 마이닝 기술을 활용하여 자동으로 최적 환경정보를 도출하고, 그에 대응하는 LED 조명 데이터를 산출하여 마스터 조명 컨트롤러(400)로 전송한다.

도 14는 환경정보를 이용한 대응색상의 예시이다.

예컨대, 상기 개인 취향 분석 및 프로파일 생성부(330)는 위에서 언급된 3종류의 사용자 관련 데이터인 생체데이터 1(뇌파, 심전도)/생체데이터 2(맥박)/환경데이터(온도, 습도, 조도)를 수집하고 정규화하여, 이를 기반으로 각각에 대한 생체리듬지수 및 환경지수를 계측한다.

이어, 생체 및 환경 데이터에 기반을 둔 최종 감성지수를 도출하고 이를 통하여 LED 색상을 제어한다.

3가지의 데이터를 통해 추론된 감성 지수는 사용자가 필요로 하는 조명의 색상으로 정의할 수 있다.

먼저, 감성 지수별 조명 색상을 정의하기 위해 감성에 대해 평가가 이루어져야 한다. 감성공학 영역에서 연구된 컬러 이미지스케일(Color image scale)과 형용사 이미지 스케일(Adjective image scale)을 이용해 일반 사용자가 느끼는 감성과 색상이 어떻게 매칭되는지 알 수 있다.

각각의 색채가 지닌 특정한 이미지를 측정하고 전체적으로 나타내 보기 위한 방법으로는 X, Y 좌표를 사용하는 이미지 스케일이 있다. 이미지 정도를 측정하기 위한 좌표의 X축과 Y축에 어떠한 요인을 설정하기 위해서는 우선 이미지 평가에서 가장 중요하게 영향을 미치는 요인을 파악할 필요가 있다.

도 15는 정적인-동적인 이미지가 X축을 나타내고, Y축은 부드러운-딱딱한 이미지를 나타낸다. 이러한 이미지 스케일은 그 내부 공간에 색채 이미지의 전체를 담아 볼 수 있다는 가정에서 만들어진 척도 개념이다.

도 16은 색채의 감성 척도별로 나열한 감성 언어의 척도이다. X축 동적인-정적인 어투에서 Y축 부드럽고 딱딱한 이미지의 언어들을 통해 인간의 감성에 매칭되는 색상을 유추할 수 있다.

두 척도를 매칭해서 보면 전체적으로 색상에서 난색은 주로 부드러운 쪽에, 한색은 주로 딱딱한 쪽에 치우쳐 있는 것을 알 수 있다. 그러나 톤에서는 밝은 톤이 부드럽고, 정적인 이미지에 있고, 어두운 톤은 동적이고 딱딱한 이미지에, 수수한 톤은 정적이고 딱딱한 이미지에, 화려한 톤은 동적이고 부드러운 이미지에 치우쳐 있음을 알 수 있다.

즉, 색상보다는 톤이 세부적인 감성을 변화시키는 데 더 중요한 변수임을 알 수 있다. 따라서 본 발명은 이러한 색채 감성과 감성언어의 매칭된 색상의 신뢰도를 높이기 위해 각각의 감성 언어에 대비되는 색 온도를 정의하고, LED 조명에 반영할 수 있도록 RGB 값으로 변환하는 알고리즘을 제안한다.

본 발명에서 사용자의 감성을 정의하기 위해 사용된 감성 언어는 도 16에서 정의된 언어 중 중복된 언어를 삭제하고 일반적으로 사용자가 느낄 수 있는 언어들로 도 17과 같이 선정하였다.

또한, 선정된 감성 언어들은 활동성, 안정감, 역량성으로 분류할 수 있다. 예컨대, 상쾌하다-불쾌하다, 선명하다-희미하다와 같은 언어는 활동성의 요인으로 정의할 수 있으며, 따뜻하다-시원하다, 편안하다-불안하다와 같은 언어는 안정감에 대한 요인으로, 강렬하다-은은하다, 화려하다-수수하다와 같은 언어들은 요인으로 정의할 수 있다.

선정된 언어들을 평가하기 위한 색 온도는 3800[K], 5800[k], 8300[K]의 조명으로 기존에 연구된 결과 활동적인 요인에서는 8300[K] > 5800[K] > 3800[K] 순으로 선호하며, 안정적인 요인에서는 3800[K] > 5800[K]> 8300[K] 순으로, 역량성 요인에서는 강렬하거나 화려한 색상의 요인으로 색 온도가 가장 높은 8300[K]이 선호되었다.

따라서 본 발명에서는 기존에 연구되었던 색 온도와 감성평가의 결과를 응용하여 사용자의 활동적인 감성 그리고 우울한 감성을 기준으로, 도 18과 같이 알맞은 색 온도를 정의했다. 예를 들어, 각성된 상태의, 지나치게 활성 된 감성에는 낮고 차가운 3800[K]의 조명을 제공하고, 우울하고 위축된 감성에서는 활기차고 밝은 8300[K]의 조명을 제공하는 방식으로 정의한다.

색 온도는 광원의 색을 수치로 나타낸 것으로, 이상 흑체에 열을 가열했을 때 흑체가 나타내는 색을 의미한다. 따라서 LED 조명에 적용하기 위해서는 색 온도를 RGB 값으로 변환해야 한다.

먼저, 색 온도에 해당하는 도 19와 같은 CIE 1931 색도 좌표계의 x, y 좌표로 변환한다.

색도 좌표계의 x, y를 통해 하기의 [수학식 7] 을 통해 CIE XYZ 색공간으로 변환한다.

CIE XYZ 색 공간을 하기의 [수학식 8] 을 이용하여 CIE RGB 색 공간으로 변환한다.

CIE 1931 색도 좌표계에 대입을 통해 정의된 8300[K] ~ 3800[K] 색 온도의 RGB값은 도 20과 같으며, 도 21은 색온도에 해당하는 RGB값의 분포도이다.

상기와 같은 조명 데이터(조명 밝기 및 색상)를 산출하기 위한 지능형 조명관리 미들웨어는 도 22와 같다.

도 22와 같은 지능형 조명관리 미들웨어(300)는 다가구의 환경에서 사용자 각각의 개인화와 감성 조명 제어를 위해 개발한 것이다. 미들웨어의 입력 데이터로는 주지한 바와 같이 사용자의 감정 정보(생체정보)와 환경정보를 취득하기 위한 센서 디바이스를 이용한다.

먼저, 감정 정보(생체 정보)는 뇌파 측정기기와 생체신호 기반 센서 장비가 있으며, 환경정보로는 온도, 습도, 조도와 같은 환경센서가 있다. 미들웨어는 생체정보 및 환경정보를 취합해 생체리듬지수/불쾌지수에 의한 사용자 감성지수를 산출하고, 최종적으로 조명을 감성대응 색상으로 구현하는 역할을 한다.

예컨대, 실시간으로 취득되는 생체 및 환경 스트림 데이터는 Metadata Extractor를 통해서 정제되고, 정제된 데이터는 User Metadata Registry와 Emotion Data Warehouse에 저장한다. 이어, 생체신호와 웨어러블 디바이스를 통해 구분된 개인 ID를 바탕으로 사용자의 감정 상태 및 환경상황은 Multi-level Reasoning에 의해 정리되고, 이렇게 추출된 정보를 바탕으로 개인화 프로파일을 구축하면서, 현재 사용자에게 최적화된 색 온도 및 조도를 자동으로 판별한다. 이어, 미들웨어에서 자동으로 판단된 최적의 색 온도/조도 정보는 무선을 통해서 마스터 조명 컨트롤러(400)로 전달된다.

상기 마스터 조명 컨트롤러(400)는 상기 지능형 조명관리 미들웨어(300)에서 출력되는 조명 제어데이터를 기초로 LED조명의 밝기 및 색상을 제어한다.

예컨대, 마스터 조명 컨트롤러(400)는 도 2에 도시한 바와 같이, 정전압기(401)에서 +5V 어댑터(ADAPTER) 혹은 슬레이브 조명 컨트롤러(500)에서 전송된 POWER(+5V)를 입력받아 장치 내부의 모든 모듈의 동작에 필요한 정전압을 공급한다. 입력부(402)는 스마트폰 애플리케이션으로부터 블루투스를 통해 전송된 조명 제어데이터 또는 PC 또는 서버(지능형 조명관리 미들웨어)의 전용 프로그래밍 U.I로부터 WI-FI를 통해 전송된 조명 제어데이터를 입력받아 메인 컨트롤 유닛(405)에 전달한다.

여기서 조명을 매뉴얼로 운용시, 표시부(403)는 각 LED 색상의 양 및 밝기의 설정 값을 표시해주게 되고, 사용자는 조작부(404)를 통해 각 LED 색상의 양 및 밝기를 선택한다.

그러면 메인 컨트롤 유닛(405)은 상기 입력부(402)를 통해 입력된 조명 제어 데이터 또는 상기 조작부(404)를 통해 설정된 LED 색상의 양 및 밝기의 설정 값에 따라 LED 램프의 COLOR 및 조도를 제어하는 조명 제어신호를 출력한다.

이때, 메인 컨트롤 유닛(405)은 조명의 컬러를 제어하기 위한 색 온도 제어 데이터를 상기 [수학식 1] 을 적용한 도 27a와 같은 알고리즘으로 산출한다.

예컨대, 조명 색 온도 구현 시 소비전력이 일정하게 유지되도록 두 가지 색 온도를 조합하여 색 온도를 구현한다.

기존에는 다양한 조명 색 온도를 만들기 위해 두 가지 색 온도를 그대로 조합하였기 때문에, 과도한 소비전력이 발생한다.

즉, 웜(50W) 100% + 쿨(50W) 100% = 100W의 전력이 소비된다.

반면, 본 발명은 상기 [수학식 1] 과 같은 알고리즘으로 색 온도를 구현하게 되면, 웜(50W) 100% + 쿨(50W) 100% = 50W가 유지되어, 소비전력을 줄일 수 있게 되는 것이다.

다시 말해, 원하는 색 온도에 따른 웜쿨값이 있으면 조도 100% 기준에서 웜쿨값의 합이 100% 이하여야 하기 때문에, 조도를 100으로 고정하고, 상기 [수학식 1]을 적용하여 색 온도를 구현함으로써, 소비전력을 절감하게 된다.

여기서 수동으로 색 온도 조절 정보가 입력되어도, 상기 [수학식 1] 을 이용한 도 27b와 같은 알고리즘을 이용하여, 조도를 100으로 고정하고 웜쿨값의 합이 100이 되도록 색 온도를 조절한다.

만약, 상기와 같은 소비전력 절감 알고리즘으로 색 온도를 제어하는 과정에서, 조도에 따라 디밍이 발생하면 디밍량에 따라 비례적으로 소비전력을 더욱 절감할 수 있다.

즉, 디밍이 50%이면, 웜(50W) 50% + 쿨(50W) 50% = 25W가 되어, 소비전력을 혁신적으로 줄일 수 있다.

이렇게 소비전력 절감을 위한 색 온도 제어 데이터를 포함하는 조명 제어신호는 통신부(406)를 통해 RS-485 통신으로 슬레이브 조명 컨트롤러(500)에 전송된다.

여기서 마스터 조명 컨트롤러(400)는 소비 전력 절감을 위한 알고리즘을 수행하지 않고, 조명 제어 데이터만을 슬레이브 조명 컨트롤러(500)에 전송할 수 있으며, 슬레이브 조명 컨트롤러(500)는 조명 제어 데이터를 수신한 후, 색 온도 제어 데이터가 존재하면 이를 이용하여 색 온도를 제어하여 조명의 색상을 구현하고, 색 온도 제어데이터가 존재하지 않으면 소비전력 절감을 위한 알고리즘을 수행하여 색 온도를 제어하여 조명의 색상을 구현하게 된다.

상기 슬레이브 조명 컨트롤러(500)는 상기 마스터 조명 컨트롤러(400)로부터 통신으로 전송되는 조명 제어 데이터에 따라 LED 조명의 색상 및 밝기를 조절한다.

예컨대, 슬레이브 조명 컨트롤러(500)는 도 3에 도시한 바와 같이, 퓨즈(501)는 입력받은 상용 전원에 과전압 및 과전류가 흐를 경우 단선 되어 장치를 보호한다. 퓨즈(501)를 통한 전압은 입력 서지 보호기(502)에 전달되고, 입력 서지 보호기(502)는 바리스터를 사용하여 낙뢰 혹은 입력에 순간적인 PEAK 전압이 인가될 경우 회로를 보호한다.

다음으로, 전자파 필터(503)는 L(LINE FILTER)과 C(CAPACITOR)를 사용하여 회로 동작시 발생하는 전자기(CONDUCTION, 전도성) 노이즈와 고주파(RADIATION, 방사성) 노이즈가 외부로 방출되는 것을 억제하게 되고, 돌입전류 보호기(504)는 최초 전원 투입시에 순간적으로 발생하는 PEAK 전류를 제한한다.

제1정류기(505)는 상기 돌입전류 보호기(504)를 통과한 전원을 정류하게 되고, 역률 보상기(506)는 전압과 전류 사이에 발생하는 위상의 차이를 동일하게 맞추어 입력 손실을 방지한다.

다음으로, 주 스위칭부(507)는 메인 제어 유닛(515)의 제어에 따라 원하는 출력 전압을 얻기 위해 입력 전원을 스위칭하게 되고, 트랜스포머(507)는 상기 주 스위칭부(507)의 스위칭에 따라 1차측 입력 전원을 2차 측으로 유기하여 출력한다.

이어, 제2정류기(509)는 상기 트랜스포머(508)의 출력 전압을 정류하게 되고, 노이즈 필터(510)는 상기 제2정류기(509)에서 정류한 DC 전압의 RIPPLE 성분을 제거하여 양질의 DC 전압을 출력한다.

다음으로, 정전압기(511)는 상기 제2정류기(509)의 출력 전압을 소정 레벨의 정전압으로 만들어 상기 마스터 조명 컨트롤러(400)에 공급해준다. 아울러 전압 검출기(512)는 상기 노이즈 필터(510)를 통해 출력되는 출력 전압을 감시하여 상기 메인 제어 유닛(515)에 전달하게 된다. 아울러 절연기(513)는 상기 트랜스포머(507)의 1차와 2차를 분리시켜 절연을 구현한다.

다음으로, 통신부(514)는 상기 마스터 조명 컨트롤러(400)에서 통신으로 전송된 조명 제어데이터를 수신하여 메인 제어 유닛(515)에 전달하게 되고, 상기 메인 제어 유닛(515)은 상기 통신부(514)에서 수신한 조명 제어 데이터에 따라 상기 LED 램프(517)의 DRIVE 전압 제어를 하여 LED 조명의 컬러와 조도를 조절한다.

이때, 메인 제어 유닛(515)은 조명 제어 데이터에 조명의 컬러를 제어하기 위한 색 온도 제어 데이터가 존재하면, 이를 이용하여 조명의 컬러를 제어하게 되고, 이와는 달리 색 온도 제어 데이터는 없고 단순히 조명 제어 데이터만이 존재하면 상기 [수학식 1] 을 적용한 도 27a와 같은 알고리즘으로 산출한다.

예컨대, 조명 색 온도 구현 시 소비전력이 일정하게 유지되도록 두 가지 색 온도를 조합하여 색 온도를 구현한다.

기존에는 다양한 조명 색 온도를 만들기 위해 두 가지 색 온도를 그대로 조합하였기 때문에, 과도한 소비전력이 발생한다.

즉, 웜(50W) 100% + 쿨(50W) 100% = 100W의 전력이 소비된다.

반면, 본 발명은 상기 [수학식 1] 과 같은 알고리즘으로 색 온도를 구현하게 되면, 웜(50W) 100% + 쿨(50W) 100% = 50W가 유지되어, 소비전력을 줄일 수 있게 되는 것이다.

다시 말해, 원하는 색 온도에 따른 웜쿨값이 있으면 조도 100% 기준에서 웜쿨값의 합이 100% 이하여야 하기 때문에, 조도를 100으로 고정하고, 상기 [수학식 1]을 적용하여 색 온도를 구현함으로써, 소비전력을 절감하게 된다.

여기서 수동으로 색 온도 조절 정보가 입력되어도, 상기 [수학식 1] 을 이용한 도 27b와 같은 알고리즘을 이용하여, 조도를 100으로 고정하고 웜쿨값의 합이 100이 되도록 색 온도를 조절한다.

만약, 상기와 같은 소비전력 절감 알고리즘으로 색 온도를 제어하는 과정에서, 조도에 따라 디밍이 발생하면 디밍량에 따라 비례적으로 소비전력을 더욱 절감할 수 있다.

즉, 디밍이 50%이면, 웜(50W) 50% + 쿨(50W) 50% = 25W가 되어, 소비전력을 혁신적으로 줄일 수 있다.

LED 구동기(516)는 상기 메인 제어 유닛(515)에서 발생하는 드라이브 전압 제어를 기초로 상기 LED 램프(517)의 조명을 구동형, LED의 밝기와 색상을 감성지수에 대응하게 구현하게 된다.

한편, 대부분의 웨어러블 디바이스가 블루투스 통신만 제공하거나, 일부 WCDMA 칩이 장착된 웨어러블 디바이스의 경우에도 저장장치 공간이 극히 협소하므로, 실시간으로 취득되는 생체신호 데이터는 사용자가 소유한 스마트폰에 일차적으로 저장할 필요성이 있다.

이를 위하여 블루투스/Wi-Fi/WCDMA를 통해 웨어러블 디바이스로부터 취득된 생체정보 및 블루투스/Wi-Fi를 통해 취득된 환경정보를 취합/정제/임시저장하고, 생체/환경정보를 지능형 조명관리 미들웨어(300)로 실시간 스트림 송신해야 한다. 따라서 스마트폰인 정보수집 단말기(200)에 "사용자 개인정보 설정 및 관리 앱"을 내장시켜, 감성지수/조명상태 등 종합된 조명관련 정보를 사용자에게 제공하고, 사용자의 Feedback을 상기 지능형 조명관리 미들웨어(300)로 송신하도록 한다. 여기서 사용자 개인정보 설정 및 관리 앱은 사용자의 이동 경로 및 스마트폰에 내장된 센서정보를 라이프로그 형태로 저장/관리하고 이를 지능형 조명관리 미들웨어로 전송하는 기능을 담당한다. 사용자가 본인의 개인정보를 관리 및 확인할 수 있는 기능도 함께 구현하는 것이 바람직하다.

또한, 사용자의 상황 및 편의를 고려하여 사용자가 직접 조명 시스템을 제어할 수 있도록 한다. 즉, 스마트 디바이스 애플리케이션을 통하여 사용자가 손쉽게 직접 조명제어가 가능하도록 한다. 이 경우 스마트폰인 정보수집 단말기(200)가 리모컨과 같은 역할을 하여, 정보수집 단말기(200)를 이용하여 직접 조명을 제어한다.

도 23은 상기 개인정보 설정 및 관리 앱의 메인 설계 화면 예시이다. 사용자는 개인정보 설정 및 관리 앱을 통해 조명의 설치 위치와 개인 정보를 열람 및 수정한다.

도 24는 서비스 제어 및 관리를 위해 개발된 앱의 메인 화면 예시이다. 사용자는 서비스 제어 및 관리를 위해 개발된 앱을 통해 감성 제어할 조명 등록, 조명 제어, 감성 조명, 기어 연동 등의 서비스를 실현한다.

도 25a 및 도 25b는 취득된 심전도, 뇌파, 맥박에 해당하는 생체 정보 열람, 온도, 습도, 조도에 해당하는 환경 정보 열람 기능의 예시이다.

여기서 센서 정보의 열람 기능은 다음과 같다.

현재 환경/생체 정보 내용, 현재 환경/생체 정보 표시 및 최종 측정 일시 표시, 과거의 환경 정보 확인(환경 정보 항목 클릭 -> 항목별 그래프), 과거의 생체 정보 확인(생체 정보 항목 클릭 -> 항목별 그래프)을 포함한다.

실시간으로 심박, 뇌파, 심전도, 온도, 습도, 조도에 대한 데이터를 받아올 수 있으며, 센싱 데이터뿐 아니라 데이터들을 통하여 나온 감성지수도 받아 감성조명에 적용할 수 있다.

도 26a 및 도 26b는 사용자가 직접 LED 조명의 색상과 밝기를 조절하는 조절기능을 보인 것이다.

LED 조명의 밝기는 5단계로 조절할 수 있으며, 색상은 R, G, B 값을 수동으로 입력하여 조절할 수 있다. 또한, 색상 조절이 불편할 경우, 색상표를 열어 쉽게 색상을 정할 수도 있다.

이때, LED조명의 밝기 조절은 Red LED, Blue LED, Green LED를 기본적으로 제어하여 다양한 색을 연출한다, 부가적으로 Warm White LED, Cool White LED, Amber LED가 추가되어 전체적인 조명의 밝기를 조절한다. 각 LED는 개별로 제어가 가능하며 각 LED의 특성에 따라 해상도(resolution)를 달리할 수 있다. 또한, 플리커링(flickering)을 없애기 위해 조명에 인가되는 PWM 신호의 반복 주기는 조절이 가능하며, LED 칩마다 다른 특성을 고려하여 조명에 인가되는 PWM 신호의 반복 주기 역시 조절이 가능하다. LED의 순방향 전압과 순방향 전류의 비선형 특성을 고려하여 밝기를 제어한다. 전류 원의 전류 공급을 일정하게 유지하면서 전압을 on/off에 의한 모듈레이션을 통해 밝기(brightness)를 조절할 수 있다. 또한, 전압 원의 전압 공급을 일정하게 유지하면서 전류에 의한 밝기(brightness) 조절도 가능하다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명은 생체정보와 환경정보를 이용하여 감성지수를 추론하고, 이를 기반으로 LED 조명의 밝기 및 색상을 자동으로 조절하는 스마트 LED 조명 시스템에서 소비전력을 절감하는 기술에 적용된다.

10: 생체 및 환경정보 획득수단
100: 정보 획득부
200: 정보수집 단말기
300: 지능형 조명관리 미들웨어
310: 퍼스널 데이터베이스
320: 감성지수 산출부
330: 개인 취향 분석 및 프로파일 생성부
400: 마스터 조명 컨트롤러
405: 메인 컨트롤 유닛
500: 슬레이브 조명 컨트롤러
515: 메인 제어 유닛

Claims (10)

1. 생체신호 및 환경변화에 따라 조명의 밝기 및 색상을 자동으로 조절하는 스마트 LED 조명 시스템에서 소비전력을 절감하기 위한 것으로서,
   사용자의 생체정보 및 환경정보를 획득하는 생체 및 환경정보 획득수단;
   상기 생체 및 환경정보 획득수단에서 수집한 생체정보 및 환경정보를 기초로 사용자의 생체리듬에 대응하는 감성 지수를 산출하여 조명 제어데이터를 출력하는 지능형 조명관리 미들웨어;
   상기 지능형 조명관리 미들웨어에서 출력되는 조명 제어데이터를 기초로 LED조명의 밝기 및 색상을 제어하는 마스터 조명 컨트롤러; 및
   상기 마스터 조명 컨트롤러로부터 통신으로 전송되는 조명 제어 데이터에 따라 조명의 색상 및 밝기를 조절하는 슬레이브 조명 컨트롤러를 포함하고,
   상기 마스터 조명 컨트롤러 또는 상기 슬레이브 조명 컨트롤러는 조명 색 온도 구현 시 소비전력이 일정하게 유지되도록 두 가지 색 온도를 조합하여 색 온도를 구현하되,
   상기 마스터 조명 컨트롤러는 색 온도 조절을 위한 웜(Warm) 값 및 쿨(Cool) 값을 하기 수식으로 산출하여, 조명 색 온도에 무관하게 소비전력을 일정하게 유지하는 메인 컨트롤 유닛을 포함하며,
   상기 지능형 조명관리 미들웨어는 생체정보 및 환경정보를 기초로 LED 조명 감성 제어를 위한 감성 지수를 산출하되, 생체정보와 환경정보가 모두 획득되지 못하는 경우에는 생체정보와 환경정보를 상호 호환하여 감성지수를 정확하게 산출하는 감성지수 산출부; 상기 감성지수 산출부에서 산출한 감성지수 및 분석 결과를 기초로 개인 취향을 분석하고, 분석한 개인 취향에 따라 프로파일을 생성한 후, 조명 제어 데이터를 생성하여 출력하는 개인 취향 분석 및 프로파일 생성부를 포함하고, 상기 감성지수 산출부는 뇌파와 심전도를 제1 생체정보로 설정하고, 맥박을 제2 생체정보로 설정하며, 온도/습도/조도를 환경정보로 설정하고, 각각의 정보에 계수를 부여하여 정규화하고, 정규화된 데이터를 감성지수 산출 함수에 대입하여 감성지수를 산출하며,
   상기 감성지수 산출은 제2 생체정보와 환경정보만 존재하면, 수집된 제2 생체정보의 데이터와 정규화된 계수를 계산하여 감성지수 산출 함수에 제1 생체 정보 대신에 2개의 환경정보와 제2 생체정보만을 적용하여 감성지수를 산출하고, 제1 생체정보와 환경정보만 존재하면, 수집된 제2 생체정보의 데이터에서 심전도(ECG)와 뇌파(EEG)의 비율로 각각 60%와 40%로 설정하고, 제2 생체정보 데이터와 정규화된 계수를 계산하여 감성지수 산출 함수에 제1 생체 정보 대신에 2개의 환경정보와 제2 생체정보만을 적용하여 감성지수를 산출하고, 환경정보만 존재하면 수집된 환경 데이터를 제1 생체정보와 제2 생체 정보 대신에 감성지수 산출 함수에 3개의 환경 정보를 각각 대입하여 감성지수를 산출하고, 상기 제1 및 제2 생체정보와 환경정보가 모두 존재하면 제1 및 제2 생체정보 데이터와 정규화된 계수를 계산하고, 감성지수 산출 함수에 제1 생체정보와 제2 생체정보 및 환경정보를 각각 대입하여 감성지수를 산출하는 것을 특징으로 하는 전력 절감 기능이 구비된 친환경 스마트 조명시스템.
   <수식>
   

   

   
   상기에서 W는 웜 색 온도이고, C는 쿨 색 온도이며, 100은 조도(%)를 나타낸다.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에서, 상기 슬레이브 조명 컨트롤러는 색 온도 조절을 위한 웜(Warm) 값 및 쿨(Cool) 값을 하기 수식으로 산출하여, 조명 색 온도에 무관하게 소비전력을 일정하게 유지하는 메인 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 절감 기능이 구비된 친환경 스마트 조명시스템.
   <수식>
   

   

   
   상기에서 W는 웜 색 온도이고, C는 쿨 색 온도이며, 100은 조도(%)를 나타낸다.
   
4. 청구항 1에서, 상기 마스터 조명 컨트롤러 또는 슬레이브 조명 컨트롤러는 조도에 따라 디밍이 발생하면 디밍 량에 따라 비례적으로 소비전력을 절감하는 것을 특징으로 하는 전력 절감 기능이 구비된 친환경 스마트 조명시스템.
   
5. 청구항 1 또는 청구항 2에서, 상기 마스터 조명 컨트롤러는 수동으로 색 온도 조절 정보가 입력되면, 조도를 100으로 고정하고 웜쿨값의 합이 100이 되도록 색 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 전력 절감 기능이 구비된 친환경 스마트 조명시스템.
   
6. 청구항 1 또는 청구항 3에서, 상기 슬레이브 조명 컨트롤러는 수동으로 색 온도 조절 정보가 입력되면, 조도를 100으로 고정하고 웜쿨값의 합이 100이 되도록 색 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 전력 절감 기능이 구비된 친환경 스마트 조명시스템.
   
7. 청구항 1에서, 상기 마스터 조명 컨트롤러 또는 슬레이브 조명 컨트롤러는 둘 중 어느 하나의 컨트롤러가 웜쿨값의 합이 100이 되도록 색 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 전력 절감 기능이 구비된 친환경 스마트 조명시스템.
   
   
   
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

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