KR20120133478A - 환경 제어용 복합 스마트 ｉｃ - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 환경요소의 현재값(상태수치)과 사용자가 설정한 바람직한 값(기준수치)를 입력받고 이를 표시함과 아울러 그 차이를 계산하여 환경요소를 바람직한 값과 일치(또는 유지)시킬 수 있도록 환경요소 제어기의 작동을 제어하는 one-chip의 환경 제어용 복합 스마트 IC에 관한 것이다.

Description

환경 제어용 복합 스마트 ＩＣ{Smart environment control IC}
본 발명은 생물 특히 식물체의 원활한 생육을 위한 복수의 환경조건을 제어할 수 있는 환경 제어용 복합 스마트 IC에 관한 것이다.
생물의 생장에 관한 실험을 위해, 또는 생장을 촉진하고 생산량을 증대시키기 위해 자연과는 부분적으로 또는 완전하게 차단된 공간에서 다양한 환경조건을 제어할 수 있는 시스템이 많이 활용되고 있다.
이들의 예로, 각종 인큐베이터(인공부화기 포함), 동물사육장(계사, 돈사, 우사, 실험동물 사육장 등), 온실이나 하우스와 같은 식물재배장치 등을 들 수 있다. 이하에서는 이들을 통칭하여 "환경제어 시스템"이라 한다. 환경제어 시스템은 반드시 "생물"을 위한 것에 한정되는 것은 아니며, 경우에 따라서는 비생물을 위한 온습제어시스템을 포함한다.
환경제어 시스템에 의해 제어되는 환경요소는, 온도, 습도, 광량, 수량(水量), 액체나 기체의 함량이나 농도, 액체나 기체의 이동속도 등이 될 수 있다.
환경제어 시스템을 단순화하면 [환경요소측정센서(센서)-MCU(main control unit)-환경요소제어기]와 MCU의 조작을 위해 사용자가 입력하게 되는 설정부 및 상태표시를 위한 표시부로 이루어지는 것이 일반적이다. 즉, 종래 환경제어 시스템(도 1에 도시)은 대체로 센서부, 설정부(사용자가 입력하는 장치부), MCU, 표시부(디스플레이장치), 환경요소제어기 및 기타 주변 구성회로로 구성되어 환경을 제어한다. 여기서 환경요소제어기란 예를 들면, 광량 제어를 위한 LED, 온도 및 습도 조절기, CO2 조절기 등이 될 수 있다.
그러나 위의 열거 된 구성에는 센서의 개수와 제어기에 비례하여 다수의 고성능, 다채널 A/D 컨버터가 내장 된 MCU가 요구되면서 개발 단가가 올라가고, 제어를 위한 프로그램이 복잡해져서 개발 기간이 길어지는 문제점이 있다. 또한 주변 회로가 복잡하여 이로 인해 컨트롤러의 부피가 상당히 커져야 한다는 단점이 있다.
따라서 종래 환경제어 시스템은 가격 및 부피 문제 때문에 고가의 대형 시스템에 한정되어 가정용 또는 좁은 면적에 활용할 수 있는 소형 시스템 구축에는 적합하지 못하다.
본 발명은 종래기술의 단점을 보완하기 위하여, MCU 및 주변 회로들의 기능을 하나의 칩에 집적시킨 스마트 환경제어 직접화 칩(Smart environment control IC)을 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 개발비용이 적게 소요되며, 좁은 공간에서도 활용가능한 환경제어시스템을 위한 환경 제어용 복합 스마트 IC를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 설정부로부터 환경요소 기준수치를 입력받고, 환경요소별 센서군으로부터 환경요소의 상태수치를 입력받아 상기 기준수치와 비교하여 상기 환경요소를 제어하는 제어기로 제어신호를 출력하며, 상기 기준수치와 상태수치를 표시부로 출력하는 환경 제어용 복합 스마트 IC로서, (A) 상기 환경요소별 센서군으로부터 환경요소 상태수치를 입력받아 오차 허용범위 내 상태수치의 평균값을 계산하여 하기 환경요소별 비교기와 상기 표시부로 출력하는 오차보상기; (B) 상기 설정부로부터 입력받은 환경요소별 기준수치를 임시로 저장하며, 하기 환경요소별 비교기와 상기 표시부로 준수치를 출력하는 메모리; (C) 환경요소별로 입력된 상기 기준수치와 상태수치 평균값을 비교하여 차이값을 하기 구동드라이버로 출력하는 비교기; 및 (D) 환경요소별로 입력된 상기 차이값에 따라 강도 또는 지속시간을 달리하여 해당 환경요소에 대한 제어기를 스위칭하는 구동드라이버;를 포함하는 것을 특징한다.
본 발명에서 "환경요소"란 특정 환경판단의 속성을 말하는 것으로서, 예를 들면, 온도, 습도, 광도, 공기농도 등의 각각을 의미한다. "기준수치"란 사용자가 입력한 바람직한 환경요소의 수치 또는 수치범위를 의미하며, "상태수치"란 센서에 의해 감지된 환경요소의 현재수치를 의미한다. 예를 들어 비닐하우스의 공기온도를 25℃로 설정하였다면 기준수치는 25℃이며, 온도센서에 의해 측정된 현재온도가 22℃라면 상태수치가 22℃라는 의미이다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 MCU를 사용하지 않고 드라이버 및 주변 회로들을 하나의 칩에 집적시킴으로서, 복잡한 제어프로그램을 필요로 하지 않으면서 작은 공간을 차지하는 단순화된 환경제어 시스템을 구현할 수 있다.
도 1은 종래기술에 의한 환경제어 시스템의 예를 보여주는 도면.
도 2 및 도 3은 본 발명에 의한 환경 제어용 복합 스마트 IC의 개념도.
도 4는 본 발명에 의한 환경 제어용 복합 스마트 IC의 세부구성도의 일예.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 환경요소의 현재 측정치에서 오차 허용범위를 벗어난 측정치를 제외한 평균값을 그 환경요소의 "상태수치"라 표현한다.
전술한 바와 같이, 본 발명은, 환경요소의 현재값(상태수치)과 사용자가 설정한 바람직한 값(기준수치)를 입력받고 이를 표시함과 아울러 그 차이를 계산하여 환경요소를 바람직한 값과 일치(또는 유지)시킬 수 있도록 환경요소 제어기의 작동을 제어하는 one-chip의 환경 제어용 복합 스마트 IC에 관한 것이다.
본 발명에 의한 환경 제어용 복합 스마트 IC는 오차보상기, 메모리, 비교기 및 구동드라이버를 필수적으로 포함한다(도 2에서 점선 내부) .
상기 오차보상기는 상기 환경요소별 센서군으로부터 환경요소 현재값를 입력받아 오차 허용범위 내 현재값의 평균값(상태수치)을 계산하여 하기 환경요소별 비교기와 상기 표시부로 출력하는 기능을 한다. 따라서 상기 오차보상기는 외부의 센서들로부터 신호를 입력받을 수 있는 수단(유선이라면 입력단자부, 무선이라면 무선수신장치; 도면에서는 센서군과 연결하는 선으로 표시)을 가지고 있음은 당연하다(도시 생략).
상기 메모리는 상기 설정부로부터 입력받은 환경요소별 기준수치를 임시로 저장하며, 하기 환경요소별 비교기와 상기 표시부로 기준수치를 출력한다. 메모리에도 외부 설정부로부터의 신호를 입력받을 수 있는 수단과 표시부로 신호를 출력하는 수단(유선이라면 입력단자부, 무선이라면 무선수신장치; 도면에서는 설정부 및 표시부와 연결하는 선으로 표시)이 부가되어 있다(도시 생략).
상기 비교기는 상기 메모리로부터 전달받은 환경요소별 기준수치와 오차보상기로부터 전달받은 환경요소별 상태수치를 비교하여 차이값을 하기 구동드라이버로 출력하는 기능을 한다.
구동드라이버는 상기 비교기로부터 입력된 상기 환경요소별 차이값에 따라 강도 또는 지속시간을 달리하여 해당 환경요소에 대한 제어기를 스위칭한다. 따라서 구동드라이버에도 소정의 신호 출력수단(유선이라면 입력단자부, 무선이라면 무선수신장치; 도면에서는 제어기와 연결하는 선으로 표시)이 부가되어 있음은 당연하다(도시 생략).
또한 본 발명에 의한 IC에는 외부 전원을 입력 받아 칩 내,외부의 각 구성요소에 전원을 공급하는 전원공급부가 있다.
본 발명에서 상기 환경요소는 온도, 습도, 광량, 수량(水量), 액체나 기체의 함량이나 농도, 액체나 기체의 이동속도 등이 되며, 이때 외부의 센서는 각각 온도센서, 습도센서, 광센서, 수위센서, 농도센서, 속도센서 등이 될 것이며, 환경요소에 대한 제어기는 냉-온발생기, 가습-탈습기, 광원, 펌프, 팬, 모터 등이 될 것이다.
한편, 제어기가 DC모터나 LED 등 조명제품이라면 그 속도제어나 조광(광량제어) 등을 정밀하고 간단하게 수행하기 위해서 통상의 펄스폭 변조방식(Pulse Width Modulation)을 선택하는 것이 바람직하다.
이를 위하여 본 발명에 의한 환경 제어용 복합 스마트 IC에는, 상기 오차보상기로부터 소정의 환경요소 상태수치를 입력받고, 상기 메모리로부터 소정의 환경요소 기준수치를 입력받아 펄스폭변조신호를 발생시켜 이를 상기 제어기로 출력하는 환경요소별 PMW조절기를 추가로 포함하는 것이 바람직하다(도 3). 이때, 상기 오차보상기는 소정의 환경요소 상태수치를, 상기 메모리는 상기 기준수치를 상기 PWM조절기로 출력하게 된다.
환경요소의 정밀한 제어를 위해서 상기 오차보상기는 오차값을 넘어서는 상태수치를 제외한 나머지 상태수치들의 평균값을 "상태수치"로 계산하게 된다. 따라서 보다 정밀한 제어를 위해 본 발명에 의한 환경 제어용 복합 스마트 IC에 연결되는 환경요소별 센서군은 최소한 3개 이상의 센서로 이루어지도록 하는 것이 좋다. 즉, 온도에 관한 것이라면 온도센서는 최소한 3개 이상인 것이 좋다. 센서는 3개 이상 많을수록 더욱 정밀한 제어가 가능하겠지만 최대 개수는 정밀제어의 정도, 제어하고자 하는 시스템(예를 들면 비닐하우스)의 크기, 경제성 등을 고려하여 정할 수 있을 것이다.
도 4에 본 발명에 의한 환경 제어용 복합 스마트 IC의 세부구성도의 일예(도면에서 점선 내부)와, 연결수단(단순히 선으로 표시함)에 의해 상기 IC와 연결된 센서군, 설정부, 표시부 및 제어기로 구성된 시스템을 도시하였다.
본 발명에 의한 환경 제어용 복합 스마트 IC에는, 오차보상기, BCD 변환기, 정전압 발생기, 비교기, ADC, DAC, LED 혼합 광제어 및 지역 별 온도와 밝기에 따라 다채널 PWM제어가 가능한 고효율 LED 구동, PWM제어 모터구동 기반의 제어기, 온도 및 습도 조절, CO2 조절 등을 위한 환경 제어기를 위한 구동 드라이버가 집적된다.
각 구성부의 동작은 다음과 같다. 전원공급부인 정전압 발생기는 외부 전원을 입력받아 칩 내,외부의 블록에 일정한 DC 전원을 공급한다. 센서군은 예를 들면 온도/습도/광원거리/광량/수위/CO2 센서 등 환경요소 별로 3개씩 구성되어 칩 내부의 오차보상기로 아날로그 값을 전달한다. 오차 보상기는 환경요소 별 3개의 센서 출력값(측정치)을 비교하여 오차 허용 범위 밖의 값을 제외한 평균인 상태수치를 계산하고, 계산된 상태수치를 비교기의 입력단자로 출력한다. 사용자 설정부 입력으로부터 입력받은 기준전압값(기준수치)은 BCD 변환기를 거쳐서 메모리(래치인 것이 바람직)에 저장한 후, DAC를 통해 비교기로 전달된다. 비교기는 사용자 설정부의 입력값(기준수치)과 센서값의 평균값(상태수치)을 비교하여 출력 드라이버에 전달하며, 출력드라이버는 각 제어기기를 스위칭 함으로서, 온도, 습도, CO2 조절 등 환경을 제어한다.
DC-DC 컨버터는 LED 제어, 모터 구동 기반의 제어기기 등 PWM 제어로 구동되는 제어기를 구동하는 경우 사용 된다. PWM 조절기는 증폭기, 비교기, 톱니파 발생기, 오차증폭기, 기준전압 조절기로 구성된다. PWM 조절기의 기준전압 조절기는 오차보상기로부터 환경요소의 현재값(상태수치)을 입력 받는다.
이 때, 각 환경요소 별 상용 센서들의 출력 범위가 제각기 상이할 수 있기 때문에 이를 보상하기 위한 추가 정밀 조절이 필요할 수 있다. 정밀 조절은 사용자 설정부의 입력과 DAC를 거쳐 입력된 아날로그 값에 의해 이루어진다. 기준 전압 조절기의 출력값과 DC-DC 컨버터의 궤환루프 전압의 차는 오차증폭기를 통하여 증폭되어 비교기의 기준전압 입력 단자로 출력된다. 비교기는 기준전압과 톱니파 발생기의 전압변화를 비교하여 PWM 신호를 발생시킨다. 발생 된 PWM 신호는 증폭기를 거쳐 DC-DC 컨버터의 파워 스위치를 ON/OFF 시키는 역할을 함으로서, 예를 들면 LED 및 모터 기반 제어기를 구동하게 된다.
표시장치(디스플레이)에는 ① 오차보상기에서 계산된, 센서군에 의해 측정된 환경요소의 현재값인 아날로그값이 ADC와 디코더를 거쳐 상태수치값으로 출력되며 ② 사용자 설정부에 의해 입력된 기준수치는 BCD 변환기와 디코더를 거쳐 출력된다.

Claims (3)

  1. 설정부로부터 환경요소 기준수치를 입력받고, 환경요소별 센서군으로부터 환경요소의 상태수치를 입력받아 상기 기준수치와 비교하여 상기 환경요소를 제어하는 제어기로 제어신호를 출력하며, 상기 기준수치와 상태수치를 표시부로 출력하는 환경 제어용 복합 스마트 IC로서,
    (A) 상기 환경요소별 센서군으로부터 환경요소 상태수치를 입력받아 오차 허용범위 내 상태수치의 평균값을 계산하여 하기 환경요소별 비교기와 상기 표시부로 출력하는 오차보상기;
    (B) 상기 설정부로부터 입력받은 환경요소별 기준수치를 임시로 저장하며, 하기 환경요소별 비교기와 상기 표시부로 기준수치를 출력하는 메모리;
    (C) 환경요소별로 입력된 상기 기준수치와 상태수치 평균값을 비교하여 차이값을 하기 구동드라이버로 출력하는 비교기;
    (D) 환경요소별로 입력된 상기 차이값에 따라 강도 또는 지속시간을 달리하여 해당 환경요소에 대한 제어기를 스위칭하는 구동드라이버;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 환경 제어용 복합 스마트 IC.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오차보상기로부터 소정의 환경요소 상태수치를 입력받고, 상기 메모리로부터 소정의 환경요소 기준수치를 입력받아 펄스폭변조신호를 발생시켜 이를 상기 제어기로 출력하는 환경요소별 PMW조절기를 추가로 포함하며,
    상기 오차보상기는 소정의 환경요소 상태수치의 평균값을, 상기 메모리는 상기 기준수치를 상기 PWM조절기로 출력하는 것을 특징으로 하는 환경 제어용 복합 스마트 IC.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 환경요소별 센서군은 최소한 3개 이상의 센서인 것을 특징으로 하는 환경 제어용 복합 스마트 IC.
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