KR20010099011A

KR20010099011A - 유선통신을 이용한 홈 오토메이션용 통합 컨트롤러

Info

Publication number: KR20010099011A
Application number: KR1020010047815A
Authority: KR
Inventors: 유홍재
Original assignee: 이의백; (주)한모이앤에스
Priority date: 2001-08-08
Filing date: 2001-08-08
Publication date: 2001-11-09

Abstract

본 발명은 자동제어 분야에 속하는 홈 오토메이션용 컨트롤러에 관한 것이다.

기 발명의 목적은 가정 내 산재되어 있는 가전기기, 조명, 방범용 감지기 등의 아날로그, 디지털 입출력을 하나의 컨트롤러에서 통합 관리함으로써 제 하부기기의 일괄적인 제어를 가능케 하며, 이러한 제어값을 유선 통신으로 홈서버용 PC 등에 제공함으로써 랜망을 통한 원격제어를 가능케 하는 데에 있다. 기 발명의 하드웨어 구성은 실제 데이터의 연산처리와 통신을 담당하는 메인부와 외부 아날로그/디지털 입출력을 담당하는 I/O 부로 크게 나눌 수 있다. 전자의 메인부는 16BIT 연산을 담당하는 연산장치, 외부데이타를 보관하는 메모리부, 외부와의 통신을 담당하는 통신부와 컨트롤러의 상태를 표시하기 위한 LED 표시부 등을 포함하고 있으며, 후자의 I/O 부는 아날로그 입출력부, 디지털 입출력부, 적산입력부, 전원부 등으로 구성된다. 이를 구동하기 위한 제방 소프트웨어는 C 언어를 기반으로 한 마이크로프로세싱 기법을 적용하였다. 기 발명의 효과는 첫째, 가정 내에 산재 되어 있는 각종 하부기기( 가전기기, 방범용 센서, 자동모터, 자동커튼, 각종 조명, 가스차단장치, 각종 검침기류 등)를 독립적인 하나의 컨트롤러가 일괄제어 함으로써 가사관리의 시간적, 공간적 제약을 극복하여 효율적인 가사운영이 가능하며 이를 통해 부수적으로 에너지 절감효과를 가져올 것이다. 둘째, 앞에서 언급하였던 각종 하부기기의 아날로그/디지털 입출력 값을 유선통신을 통해 외부 망에 제공함으로써 외부에서의 원격제어가 가능하다. 셋째, 각종 하부기기의 상태값과 제어값을 디지털화하여 메모리형태로 저장함으로써 이를 IT 정보기기와 연계하여 응용하였을 경우에 홈 오토메이션 분야의 다양한 어플리케이션 구현이 가능하다.

Description

유선통신을 이용한 홈 오토메이션용 통합 컨트롤러{ Integrated controller using wire communication for Homeautomation }

기 발명은 자동제어의 한 분야인 홈 오토메이션(가정자동화)에 속하며 댁내의 가전기기 및 여타 가정용 아날로그/디지털 기기의 통합제어를 가능케 하는 장치에 관한 것이다. 가정 자동화는 크게 홈 네트워크 분야와 홈오토메이션 분야로 나눠진다.

이와 관련하여 각각의 국내/외 기술현황을 기술하기로 한다.

홈 네트워크 분야의 경우 핀란드의 이동통신회사인 노키아가 내 놓은 A020 무선LAN 은 IEE 802.11 의 표준으로 최근 제작되었으며, 미국의 통신회사인 루스트는 Wi-Fi 표준을 사용한 무선인터넷 접속카드인 오리노코(Orinoco)를, 스리콩은 2000.12월 말경에 에어 커넥트(Air Connect)를 선보일 예정이며, 표준화적인 측면에서는 HomeRF, Bluetooth, 무선이더넷(Wireless Ethernet)의 세가지가 진행되고 있다. 특히, HomeRF 인 경우는 반경 50m 이내에서 1.6Mbps 전송이 가능하고, 무선이더넷은 100m 반경으로 11Mbps 가 가능하며 Bluetooth 방식은 10m 반경으로 1Mbps 데이터 전송이 가능하다. 홈 유선 LAN 의 경우는 HomePNA, IEEE 1394 인 시리얼 인터페이스, USB, Lonworks, AV 버스, 양방향 X-10 등이 있으며 HomePNA 인 경우는 1/10Mbps 전송속도로 매체는 전화선을 이용하고, IEEE 1394 인 시리얼 인터페이스는 직렬케이블을 매체로 100-400Mbps 전송속도를, USB는 직렬케이블을 매체로 10K-12Mbps 전송속도를 사용하나 유무선 통신의 표준화 미비가 보급 장애의 가장 큰요소로 대두되고 있다.

한편, 홈 오토메이션 분야에 있어서는 미국의 Honeywell 과 Johns Control 이 각각 EXCEL 5000과 Matasys 의 빌딩 자동화 시스템의 다운사이징을 통하여 인터넷을 적용한 호텔객실, 오피스텔 및 아파트에 부분적용하고 있으며, 국내의 경우 사이버 아파트 시장을 중심으로 Lonwork 기반의 빌딩자동화 시스템인 I-BAS 를 홈오토메이션에 부분적용하고 있으며, LG 전자의 경우 web 기반의 가전기기와 하부 기기간의 전력선 통신을 구현한 홈 오토메이션용 가전기기를 출시하고 있으며 서울통신을 비롯한 중견 벤쳐기업에서도 전력선 통신과 IT 기기를 접목시킨 홈 오토메이션 시스템을 개발하고 있으나 통신 규격과 가전기기의 표준의 통합이 이뤄지지 않아 실제적으로 가정자동화를 목적으로한 제품의 출시는 늦어지고 있는 추세이다.

본 발명이 이루고자 하는 과제는 크게 세가지로 나눌 수 있다. 첫째는, 가정에 쓰이고 있는 가전기기와 각종 아날로그/디지털 기기에서 출력되는 아날로그/디지털 신호를 하나의 독립적인 컨트롤러에 통합하기 위한 통합 입출력 인터페이스의 기술구현에 있다. 이를 위해서는 제 각각의 입/출력 신호를 처리할 수 있는 아날로그/ 디지털 인터페이스 디바이스가 구축되어야 하며, 상이한 형태의 데이터를 하나의 헝태로 저장하며 연산처리 및 제어가 가능한 매개체가 필요하다. 둘째는 이러한 하부기기의 정보를 외부 통신망에 제공하여 외부 모니터링 및 원격제어를 구현하기 위한 자체적인 유선 통신기능을 구현하는 데에 있다. 마지막으로 외부 시스템으로부터 독립되어 분산제어가 가능한 원칩 마이크로프로세서를 내장한 임베디드 컨트롤러의 구현에 있다. 기존의 홈 컨트롤러의 경우 별도의 PC 기반의 홈 서버를 두어 이를 통해 컨트롤러를 제어함으로써 홈 서버 이상 시에 독립적인 컨트롤러의 구동에는 취약했다고 볼 수 있다.

기 발명에서는 이러한 문제점을 해소하기 위해 홈 서버에서 독립된 분산제어 개념의 홈 컨트롤러의 구현으로 예기치 못한 시스템 장애 시에 적절하게 대처할 수있다.

도 1 은 중앙처리부(CPU)의 회로도

도 2 는 메모리부의 회로도

도 3 은 내부 I/O 인터페이스부의 회로도

도 4 는 외부 통신부 회로도

도 5 는 아날로그 입력부 회로도

도 6 은 아날로그 출력부 회로도

도 7 은 디지털 입력부 회로도

도 8 은 디지털 출력부 회로도

도 9 는 적산입력부 회로도

도 10 은 전원부 회로도

앞서 언급하였던 목표에 따른 기 발명의 구성은 메인부와 I/O 부로 크게 나눠진다. 메인부는 실제적인 관제점의 관리와 프로그램의 수행, I/O 인터페이스부를 관리하는 CPU 부와 관제점 정보와 제어에 필요한 프로그램을 저장하는 메모리부, I/O 부와의 내부통신과 RS-232C 통신을 담당하는 I/O 인터페이스부 외부와의 RS-485 통신을 담당하는 통신부, 컨트롤러 동작상태와 통신상태를 나타내는 LED 표시부로 세분된다. I/O 부는 다시 DI(Digital Input)부와 DO(Digital Output)부, AI(Analog Input)부와 AO(Analog Output)부, TOT(TOTalizer)부, 전원부 등으로 세분된다.

다음은 상기의 제 구성의 작용에 대하여 도면과 함께 각각 설명하고자 한다.

도 1 의 회로도에서 보는 바와 같이 16bit 임베디드 프로세서를 기반으로한 증앙처리부(CPU)(가)와 주변회로를 나타내고 있다. CPU 부의 주기능은 도 2 의 메모리부에서 저장되어있는 응용 프로그램을 읽어 드려 수행하고 메모리에 저장된 각각의 관제점의 데이터를 읽어드려 연산 제어과정을 거쳐 다시 메모리와 각각의 I/O 부에 필요한 제어값을 공급하는 기능을 맡고 있다. 도 1 의 (나)는 CPU 의 초기화가 필요할 경우에 RESET 을 위한 스위치를 나타내고 있다. 도 1 의 (다)는 메모리와 내부 I/O 인터페이스부와의 데이터 버스를 관할하며 도 1 의 (라)는 컨트롤러의 기준 CLOCK 을 제공한다. 도 2 는 각종 데이터를 저장하는 메모리부를 도시한 회로도이다. 도면에서 (가)는 제어에 필요한 S/W를 저장하여 CPU 가 요청할 경우에 저장하고 CPU 로부터 처리된 데이터를 저장하는 기능을 하며, (나)는 관제점 정보와 여타 제어를 위해 필요한 정보값을 저장하는 RAM 을 나타내고 있다.

도 3 은 내부 인터페이스와 외부 RS-232 통신을 관장하는 내부 I/O 인터페이스부를 도시한 것이다. 도면에서 (가)는 실제적으로 RS-232 통신을 발생하며 하단의 I/O 인터페이스부에 위치하는 RS-232 PORT 를 통해 외부의 시리얼 통신 장치와의 통신을 가능케 함으로써 시스템의 상태값을 전달함과 동시에 외부에서 발생하는 외부기기의 데이터를 받아드려 메모리부와 CPU 부에 전달하는 역할을 담당하고 있다. 도면의 (나)는 I/O 부와 메인부, (외부)통신부와의 인터페이스를 담당하고 있고 도면의 (다)는 메인부와 I/O 부를 직접적으로 연결하는 데이터 버스 컨넥터부를 도시하고 있다. 이를 통해 하부의 I/O 부에서 읽어 드려지는 하부기기의 정보를 메인부에 전달함과 동시에 중앙에서 처리되어진 결과값을 하부에 전달하는 역할을 맡고 있다. 도 4는 외부와의 RS-485 통신을 주로 맡고 있는 외부 통신부를 도시하고 있다. 도면에서 보는 바와 같이 (외부)통신부는 CPU 부와는 별개의 통신 전용 프로세서(가)와 메모리(나)로 구성되어 있어 주프로세서의 통신부하를 줄여주며 CPU 부와 별개의 회로로 구성되어 있어 통신방식의 변화에 따라 수정 및 변경이 용이하게끔 설계하였다. 도면의 (다)는 실제적인 RS-485 통신을 가능케 하는 통신 드라이브를 나타내며 이 또한 RS-232 드라이브와 마찬가지로 하부의 I/O 부에 위치하고 있는 BUS 컨넥터를 통해 외부와의 시리얼 통신을 가능케 한다. 도 5 는 12BIT A/D 컨버터(가)를 기반으로 한 아날로그 입력회로를 나타내었다. 기본적으로 0∼1 V, 0∼10V, 2∼10v, 4∼20mA 에서의 아날로그 입력이 가능하며 자체 온도보상회로(나)와 GAIN 값의 조정(다)이 가능하여 다양한 수동/능동 센서의 출력값을 통합적으로 인터페이스 시켜주는 기능을 하고 있다.

도 6 은 아날로그 출력부 회로도를 도시한 것이다. 아날로그 출력부는 8bit D/A 컨버터(가)를 기반으로 2∼10V, 10mA 출력을 외부기기에 제공한다.

도 7 은 디지털 입력부 회로도를 도시한 것으로써 무전압 접점 신호를 받아 드리며 최대 25V 전압에 대한 접점 보호 회로(가)를 지니고 있다.

도 8 은 디지털 출력부 회로도를 도시한 것이다. 최대 접점 전압 300V 3A 용량의 Relay(가)를 내장하여 Maintain, Momentary 타입의 출력을 외부 기기에 제공한다.

도 9 는 최대 4 개의 적산계의 출력을 인터페이스시키는 8bit 프로세서(가)로 구성되어 있는 적산입력부의 회로도를 나타내고 있다. 적산입력부는 자체에 배터리를 내장하여 정전 등의 예기치 못한 상황에 의한 데이터가 소실을 방지할 수 있는 메모리 보호회로(나)를 내장하고 있다..

도 10 에서는 전원부 회로를 회로를 도시하고 있다. 전원부 회로는 컨트롤러 구동에 필요한 + 5V, +15V 의 직류전압과 GND 를 제공한다.

그림 1 에서 앞에서 설명하였던 하드웨어 구성을 종합적으로 간략하게 도시하였다. 앞에서 언급하였던 바와 같이 이러한 하드웨어의 독립적인 구동을 위해 그림 2 에서 보는 바와 같은 소프트웨어 알고리즘을 적용하였다. 결론적으로 홈 컨트롤러는 그림 2 에서 보는 바와 같은 소프트웨어 알고리즘에 따라 별도의 홈 시스템의 관여없이 독립적인 분산제어가 가능하며 다양한 입출력 인터페이스 환경을 통해댁내의 하부기기의 입출력처리를 통합 관리함으로써 본 발명이 목적으로 하는 효율적인 댁내 하부기기의 인터페이스 환경과 일괄적인 제어환경을 제공한다.

기존의 홈 오토메이션에 적용되고 있는 컨트롤러의 경우 제한된 범위에서의 입출력을 인터페이스 시켜주는 단순한 입출력 매개체로서의 기능을 가지고 있어 시스템과 독립된 운영이 불가능하였다. 이에 반해 상기 발명의 컨트롤러는 자체에 독립된 임베디드 프로세서와 구동 프로그램을 내장하고 있어 홈 오토메이션 환경의 즉 시스템의 장애 시에도 독립적인 구동이 가능하여 안정성이 높다. 또한 다양한 입출력 범위에서의 외부기기와의 인터페이스가 가능하여 범용성이 높을 뿐만 아니라 자체적인 메모리 보호회로를 내장하고 있어 정전과 같은 예기치 못한 상황에 대처가 가능하며 통신부와 중앙처리부의 개별 설계로 통신 방식의 변화에 따른 변경 설계가 용이하다. 결과적으로 상기한 시스템의 안정성과 입출력 인터페이스의 범용성, 다양한 통신 환경적응성 등을 바탕으로 시시각각 변화하는 홈오토메이션 시장의 기술추이 변화에 적절하게 대응이 가능하며 다양한 자동화 응용분야로의 응용이 용이할 것으로 예상된다.

Claims

컨트롤러 중앙처리부(CPU)와 (외부) 통신부의 독립설계의 고안
자체 온도보상회로와 Gain 조정회로를 지니며 0∼1V, 0∼10V, 2∼10V, 4∼20mA 입력범위를 지니는 멀티 레인지의 아날로그 입력회로
2∼10V, 10mA 범위에서 멀티 출력이 가능한 아날로그 출력회로
Maintain, Momentary의 멀티 릴래이 출력을 제공하는 디지탈 출력회로
최대 25V 전압에 대한 접점 보호 회로를 지닌 디지탈 입력회로
메모리 보호회로를 지닌 적산입력부 회로
컨트롤러의 구동 소프트웨어 알고리즘