KR20200028696A - 블루투스를 이용한 led 조명 관제 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 블루투스 메쉬 네트워크를 통해 데이터를 송수신하며, LED 조명제어, LED 조명상태 모니터링, 에너지 사용량 모니터링, 에너지 피크점 관리 등의 기능을 제공하여 LED 조명의 수명 연장 및 에너지를 절약하는 블루투스를 활용한 LED 조명 관제 시스템에 관한 것이다.

Description

블루투스를 이용한 LED 조명 관제 시스템{LED Lighting Monitoring System Using Bluetooth}

본 발명은 블루투스 메쉬 네트워크를 통해 데이터를 송수신하며, LED 조명제어, LED 조명상태 모니터링, 에너지 사용량 모니터링, 에너지 피크점 관리 등의 기능을 제공하여 LED 조명의 수명 연장 및 에너지를 절약하는 블루투스를 활용한 LED 조명 관제 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 블루투스를 활용한 LED 조명 관제 시스템에 관한 것이다.

정부의 LED 보급정책 및 수요 측면에서 경제적으로 에너지 절감효과가 큰 동시에 환경친화적인 장점으로 인해 LED 조명에 대한 관심이 확대되고 있다. IT융합시대로의 진화에 따라 LED 조명은 단순 조명에서 인간중심화/다기능화 시스템 조명으로 발전하고 있다.

미국 조명업계의 전문가들은 LED 조명의 효율적인 에너지 관리를 위해 LED 조명보다 더 빨리 적용되어야 하는 기술로 조명에 대한 중앙제어시스템을 선정하였다. LED 조명은 제어가 되는 경우 기존 형광등이나 백열전구와 달리 수명이 연장이 가능해지고 지능형/맞춤형 통합관리 시스템을 통해 기존보다 40% 이상의 에너지를 절약할 수 있다. 하지만 기존 조명 시스템의 경우 LED 조명의 관제를 위해 사용되는 센서의 종류가 한정되어 있고, 센서의 추가 확장이 어려운 원보드형태로 개발되어 표준화 및 서비스 확장이 어렵고 유지보수 비용이 상승하는 문제점이 있다.

선행기술인 대한민국 등록특허 제10-1677131호에는 스마트폰이나 통합콘트롤모듈 등과 같은 블루투스 통신기기를 이용하여 조명스위치의 온/오프 동작을 제어함으로써 조명의 동작 제어에 대한 편리함을 제공하는 블루투스를 이용한 조명 제어 시스템이 제공된다.

선행기술인 대한민국 등록특허 제10-1640539호에는 근거리무선통신을 이용하여 LED 모듈들에 각각 개별 조명 제어 정보를 전달하여 조명 제어를 수행하기 위한 것이다 LED 조명 장치들에 각각 주소를 할당하고, 할당된 주소에 해당 LED 조명 장치의 개별 조명 제어 정보를 설정한 조명 제어 정보를 갖는 제1 송신정보 신호를 LED 조명 제어기가 LED 조명 장치들로 전송하고, 해당 제1 송신 정보 신호를 수신한 LED 조명 장치가 다른 LED 조명 장치들로 재전송한다 제1 송신 정보 신호를 통하여 조명 제어 정보를 수신한 LED 조명 장치는 수신한 조명 제어 정보 중 자신에게 할당된 주소에 설정된 개별 조명 제어 정보만을 추출하고, 추출한 개별 조명제어 정보에 따라 LED 조명 제어를 수행하는 근거리무선통신을 이용한 LED 조명 제어 시스템이 제시된다.

대한민국 등록특허번호 : 제10-1677131호 대한민국 등록특허번호 : 제10-1640539호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은 원격 모니터링 및 제어가 가능하여 에너지 소비 절감에 대한 효율적인 운영이 가능하고, LED 조명 통신 모듈의 플랫폼화를 통해 각종 센서의 호환성 및 확장성을 지원하는 LED 조명 관제 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 블루투스를 이용한 LED 조명 관제 시스템은 제어 보드, 센서 입출력 보드, SMPS, LED 패널을 포함하는 LED 조명 통신 모듈, 상기 LED 조명 통신 모듈과 블루투스를 통해 통신하며 다수의 상기 LED 조명 모듈을 메쉬 네트워크로 연결하는 블루투스 게이트웨이, 상기 블루투스 게이트웨이와 와이파이 또는 이더넷으로 연결되어 상기 LED 조명 통신 모듈과 통신하는 서버, 상기 서버에 접속하셔 상기 LED 조명 통신 모듈을 모니터링하고, 제어하는 모니터링 장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 LED 조명 통신 모듈의 제어 보드는 MCU와 통신모듈로 구성되며,

상기 센서 입출력 보드와 연결되어, 상기 센서 입출력 보드로부터 센서 데이터를 수신하여 취합하며, 취합한 데이터를 상기 통신모듈을 통해 상기 서버로 전송하는 것을 특징으로 한다.

상기 블루투스 게이트웨이는 와이파이모듈, BLE모듈, RS232/485 모듈, 이더넷 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명은 원격 모니터링 및 제어가 가능하여 에너지 소비 절감에 대한 효율적인 운영이 가능하고, LED 조명 통신 모듈의 플랫폼화를 통해 각종 센서의 호환성 및 확장성을 지원하는 LED 조명 관제 시스템을 제공하는 효과가 있다.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 기술적 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 청구범위의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 LED 조명 관제 시스템의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 LED 조명 통신 모듈의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 블루투스 게이트웨이의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 LED 조명의 메쉬 네트워크 구조를 나타낸 도면이다.
도 5은 본 발명의 일실시 예에 따른 LED 조명 통합 관제 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 동기 정류형 스위칭 레귤레이터의 DC/DC 컨버터 회로이다.
도 7은 도 6의 PWM컨트롤러 회로도이다.
도 8은 도 6의 과열감지회로도이다.
도 9는 도 6의 PWM 제어기의 회로이다.
도 10은 PWM제어기에서 PWM의 주파수를 정하기 위한 외부회로도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는 데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.

또한, 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다. 아울러, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "... 부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본 발명은 LED 조명 내부에 장착하여 초저전력통신기능(BLE)과 목적에 따라 각종 센서를 탈부착 할 수 있는 플랫폼 형태의 '조명장치 통신모듈'을 제공하고 이를 손쉽에 모니터링 하고 제어할 수 있는 LED 조명 관제 시스템을 제안한다.

본 발명에 따른 LED 조명 관제 시스템은 조명제어관리 소프트웨어가 PC에 탑재되어 있고, 하드웨어 컴포넌트를 제어하는 조명제어 모듈과 각종 데이터를 관리 및 분석하는 데이터베이스 모듈로 구성된다.

도 1은 LED 조명 관제 시스템의 전체 구성도이다.

도 1을 참조하면 LED 조명 관제 시스템은 다수의 LED 조명 통신 모듈(100)과 블루투스 게이트웨이(200), 서버(300), 모니터링 장치(400)로 구성된다.

본 발명의 일실시 예에 따른 LED 조명 통신 모듈(100)은 조명의 효율적인 제어와 조명장치의 다양한 규격과 센서 연동의 확장성을 고려하여 Control Board와 Sensor I/O Board를 따로 구분하여 구성한다.

도 1을 참조하면 Sensor I/O Board는 PIR(움직임 감지) 센서, 온도센서, 습도센서, 조도센서 등과 연결된다. 다른 실시 예에서는 가속도 센서와 연결되어 지진 발생 시 가속도 값을 센싱하여 어느 층이 더 많이 흔들리는지 등의 정보를 수집한다. 또 다른 예에서는 연기감지 센서 등을 더 포함하여 화재감지, 조명 고장 감지 등도 수행한다.

상기와 같이 본 발명의 일실시 예에 따른 LED 조명 통신 모듈은 플랫폼화되어, 각종 센서의 호환성 및 확장성을 지원하며, 이에 따라 화재 감지, 지진 감지, 조명 고장 및 훼손 감지 등이 가능하여 다양한 기능을 제공하는 효과를 가진다.

본 발명의 또 다른 예에서 센서 입출력 보드는 전류 센서, 전압 센서와 연결되어 LED 조명 통신 모듈의 전류 값, 전압값, 전력소모량 등을 수집한다. 서버에서는 전류값, 전압값, 전력소모량을 수집하여 각 값이 일정값을 초과하는지 등을 감시하며 LED 조명 통신 모듈에 전원이 안정적으로 공급되는지, 전력을 얼마나 사용하는지 등을 모니터링한다.

각 LED 조명 통신 모듈은 블루투스 게이트웨이를 통해 메쉬 네트워크로 연결된다. LED 조명 통합 관제 시스템은 메쉬 네트워크로 연결된 LED 조명의 에너지 관리 및 상태를 모니터링하고 이를 토대로 상황에 따라 조명을 제어한다.

도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 LED 조명 통신 모듈의 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 LED 조명 통신 모듈은 제어 보드(Control Board), 센서 입출력 보드(Sensor I/O Board), SMPS(Switched Mode Power Supply), LED 패널을 포함한다.

LED 조명 통신 모듈의 제어 보드는 MCU와 통신모듈로 구성되며, 센서 입출력 보드와 연결되어, 센서 입출력 보드로부터 센서 데이터를 수신하여 취합하며, 취합한 데이터를 통신모듈을 통해 서버로 전송한다.

센서 입출력 보드는 3.3V에서 24V까지 다양한 센서 모듈의 정원 공급이 가능한 멀티 입출력 I/O 보드로 표 1과 같이 구성된 8개 이상의 I/O포트를 통해, 연결된 센서 모듈의 데이터를 수신하여 GPIO로 제어보드에 센서 데이터를 전송한다.

Item	specification	I/O
power	DC 3.3V, DC 5V	GPIO connector
8chAD converter	MCP3208, SPI interface	Input
DC 3.3V analog sensor connector	4port	Input
DC 5V analog sensor connector	4port	Input
DC 3.3V digital sensor connector	4port	Input
DC 5V digital sensor connector	4port	Input
DC 12V power output connector	4port	Output
DC 5V power output connector	4port	Output
DC 3.3V UART connector	1port	Output
DC 5V UART connector	1port	Output
12C communication port	1port	Output
GPIO output	9 pin Header	Output

블루투스 게이트웨이(Bluetooth Gateway)는 다수개의 상기 LED 조명 통신 모듈과 블루투스를 통해 통신하며 다수의 상기 LED 조명 모듈을 메쉬 네트워크로 연결한다.

서버는 블루투스 게이트웨이와 와이파이(Wifi) 또는 이더넷(Ethernet)으로 연결되어 상기 LED 조명 통신 모듈과 통신한다.

본 발명의 일실시 예에서 블루투스 케이트웨이는 보안을 위해 암호화 모듈을 더 포함하여, LED 조명 통신 모듈로부터 수신한 센싱값을 암호화하여 서버에 전송하고, 서버로부터 수신한 제어 명령을 복호화 하는 암호화 모듈을 더 포함한다.

모니터링 장치는 서버에 접속하셔 LED 조명 통신 모듈을 모니터링하고, 제어하는 장치로, 본 발명의 일실시 예에서는 PC를 이용한다. 조명 관리자 및 건물주 등은 PC를 이용해 서버에 접속하여, 다수의 LED 조명 통신 모듈 정보를 수신하여 모니터링하고, 조명 관리자 및 건물주 등이 PC를 통해 LED 조명 통신 모듈을 선택하고, 제어 명령을 입력하면 블루투스 게이트웨이를 통해 해당 LED 조명 통신 모듈로 제어 명령을 전송하여 LED 조명을 제어한다.

LED 조명 통신 모듈 정보란 센서 입출력 보드에 결합되어 있는 센서에 따라, 온도, 습도, 조도, 가속도, 연기감지 여부, 전류값, 전압값, 전력소모량 등이 된다.

제어 명령으로 LED 조명 통신 모듈을 제어하는 구체적인 예를 들어보면, 온도가 특정값 이상 넘어가면, 예를 들어 80도 이상 올라가면 조명 off, PIR(움직임 감지) 센서에서 움직임이 감지되면 자동 조명 on, PIR(움직임 감지) 센서에서 움직임이 감지되더라도 수동으로 버튼을 눌러야만 조명 on 등을 설정할 수 있다.

LED 조명의 내부 혹은 외부에 장착되는 각각의 블루투스 모듈과 블루투스 게이트웨이 장치가 메쉬 네트워크로 연결되며, 블루투스를 통해 전송되는 각각의 LED 조명 정보를 게이트웨이를 통해 와이파이 또는 유선 이더넷 게이트웨이를 통해 서버로 전송된다.

도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 블루투스 게이트웨이의 블록도이다.

도 3을 참조하면 블루투스 게이트웨이는 와이파이모듈, BLE모듈, RS232/485 모듈, 이더넷 모듈을 포함하여 구성된다.

도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 LED 조명의 메쉬 네트워크 구조를 나타낸 도면이다. LED 조명 메쉬 네트워크는 도 4와 같이 각 노드(LED 조명 및 게이트웨이 장치)들이 다른 노드의 작동가능 여부에 상관없이 항상 네트워크를 가동하는 형태의 구조로 블루투스 장치들 간 패킷 릴레이 방식으로 노드 간에 데이터를 전달할 수 있기 때문에 건물 전체를 블루투스로 커버가 가능하다. 또한 각 기기가 전체 블루투스 네트워크의 한 부분으로서 데이터를 주고받게 되며, 모두 그물망처럼 연결되어 다양한 기기 간 상호 제어가 가능하다.

도 5은 본 발명의 일실시 예에 따른 LED 조명 통합 관제 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.

본 발명의 일실시 예에 따른 LED 조명 통합 관제 시스템은 Monitoring Module, Message Converter, LED Control Module로 구성된다.

Message Converter는 내부 프로토콜에 따른 메시지 생성 및 파싱하고, Bluetooth Gateway로부터 수신된 데이터에서 LED 조명의 에너지 정보 및 센서 데이터를 획득하고 이를 모니터링하기 위해 Monitoring Module로 전송하고, LED Control Module로부터 획득한 LED 조명제어 데이터를 제어 프로토콜에 따라 메시지를 생성하고 게이트웨이로 전송한다.

Monitoring Module은LED 조명의 에너지 사용량, 점/소등 및 고장 유무 상태를 실시간으로 표시하고 주기별 데이터베이스에 저장/관리하고, LED 조명에 부착된 센서의 동작 유무를 실시간으로 표시하고 오류 발생 시 관리자에게 메시지 전송 및 LED Control Module로 LED 제어 요청한다.

LED Control Module은 설치된 LED 조명에 대한 1:1 제어를 위해 LED 조명정보를 등록 및 관리하고, 에너지 관리 목표치 및 전력 피크점을 설정하고 에너지 소비에 따라 LED 조명으로 제어 명령을 전송하고, LED 조명을 제어에 대한 시나리오를 설정하고 운영하며, 시나리오에 맞추어 점/소등 및 다밍 조명 제어 명령을 전송한다. 또한, LED Control Module로부터 전송 받은 제어 요청에 따라 해당 LED 조명에 제어 명령을 전송한다.

본 발명의 다른 예에서 LED 조명 관제 시스템은 비상 전원 공급부와 DC-DC컨버터를 포함하는 비상 전원 장치를 더 포함하여 비상시에도 조명 공급이 가능하도록 한다. 기존의 동기 정류형 스위칭 레귤레이터의 DC/DC 컨버터 회로는 과열 등 외부요인에 의하여 PWM 주파수가 왜곡되는 현상이 발생하고, 입출력의 과전압보호기, 과열감지 회로가 없어서 회로가 오작동하는 현상이 있다.

이에 본 발명은 도 6에 도시된 DC-DC 컨버터를 적용한다. 도 6을 참조하면 본 발명의 일실시 예에 따른 비상 전원 장치 동기 정류형 스위칭 레귤레이터의 DC/DC 컨버터 회로는 입력전압이 입력되면 필터(401)를 거치고, 입력 과전압보호기(404, Input OVP)에 의하여 과전압은 제거되고, 이는 PWM 컨트롤러(406)에 의하여 반파, 전파 입력 스위칭되고, 다시 트랜스포머(402)를 거쳐 전압이 승압되거나 강압된다.

PWM 주파수에 의해 스위칭 된 신호는 FET 소자에 의해 스위칭이 일어나며, 이는 또한, 트랜스포머(402)의 전류를 센싱하여 PWM 제어신호를 입력하게 된다. 트랜스포머(402)에 의해 승압된 신호는 저주파 필터인 LC 필터(403)에 의해 필터링되어 출력전압이 된다. 출력전압단에는 과전압보호기(405)를 두어 과전압이 발생한 경우, 이를 억제하는 기능을 가진다.

PWM 컨트롤러(406)는 입력 전압을 분할하기 위한 PWM 입력주파수 발생 회로이며, 상기 PWM 컨트롤러(406)는 과열보호회로(408)와 연결된다.

과열보호회로(408)의 기능은 동기 정류형 스위칭 레귤레이터의 DC/DC 컨버터회로에 과열을 감지하며, 과열감지신호를 제어부에 전송한다. 또한, 트랜스포머(402)는 입력전압을 증폭 혹은 강하하게 되며, 통상적으로 트랜스포머(402)의 1차측과 2차측의 감은 수의 비에 비례하여 전압이 결정된다. 또한, 상기 트랜스포머(2)의 전류를 계측하기 위하여 전류감지기(407)를 두며, 통상적으로 전류감지기(407)는 홀효과를 이용한 전류감지기, 전류 루프를 이용한 전류감지기 등이 이용된다.

전류감지기(407)의 전류값이 일정 전압 이상인 경우, 제어회로에서 이를 감지하여 과전류 메시지를 보내고, 필요한 경우 전류를 차단하게 된다. 동기 정류형 스위칭 레귤레이터의 DC/DC 컨버터회로내에 교류전압을 스위칭 디바이스는 통상 FET를 사용하며, FET의 게이트 단자에 전압을 인가하여 FET를 ON/OFF 하게 된다.

출력전압단에 연결된 LC필터(403)는 저주파 통과 필터로서, 전압을 평활하기 위하여 사용된다. PWM 제어기는 원격으로 통신신호를 전송하여 원격지에 모니터링 가능한 구조로 되어있다.

또한, PWM 컨트롤러(406) 회로는 도 7과 같으며, 과열보호회로(407)는 도 8과 같다. 도 9는 PWM 제어기 회로로서, PWM 출력주파수는 도 10의 R3,C2,C34에 의하여 결정된다. 상기 PWM의 출력주파수는 DC/DC컨버터의 과열에 의하여 온도가 올라가면, 주파수의 왜곡(Fluctuation)이 발생하는데, 이를 방지하기 위하여 종래의 Tantalum 커패시터에서 온도상승에도 커패시턴스값이 안정적인 MLCC 커패시터로 바꾸어 커패시턴스값의 안정성이 증대되어 온도에 따른 주파수 왜곡 현상을 방지한다.

이상 본 발명의 실시 예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용, 변형 및 개작을 행하는 것이 가능할 것이다. 이에, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

100 : LED 조명 통신 모듈
200 : 블루투스 게이트웨이
300 : 서버
400 : 모니터링 장치

Claims (3)

1. 제어 보드, 센서 입출력 보드, SMPS, LED 패널을 포함하는 LED 조명 통신 모듈,
   상기 LED 조명 통신 모듈과 블루투스를 통해 통신하며 다수의 상기 LED 조명 모듈을 메쉬 네트워크로 연결하는 블루투스 게이트웨이,
   상기 블루투스 게이트웨이와 와이파이 또는 이더넷으로 연결되어 상기 LED 조명 통신 모듈과 통신하는 서버,
   상기 서버에 접속하셔 상기 LED 조명 통신 모듈을 모니터링하고, 제어하는 모니터링 장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 LED 조명 관제 시스템
2. 제 1항에 있어서
   상기 LED 조명 통신 모듈의 제어 보드는 MCU와 통신모듈로 구성되며,
   상기 센서 입출력 보드와 연결되어, 상기 센서 입출력 보드로부터 센서 데이터를 수신하여 취합하며, 취합한 데이터를 상기 통신모듈을 통해 상기 서버로 전송하는 것을 특징으로 하는 LED 조명 관제 시스템
3. 제 1항에 있어서
   상기 블루투스 게이트웨이는 와이파이모듈, BLE모듈, RS232/485 모듈, 이더넷 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명 관제 시스템
   

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