[32호]스마트 가로등 조명제어 시스템

2015 ICT 융합 프로젝트 공모전 참가상

스마트 가로등 조명제어 시스템

글 | 상명대학교 황인철, 유정이, 이정욱, 장삼열, 정희주

심사평

jk전자 중앙 집중식이 아닌 가로등에서 가로등으로 전달되는 방식의 네트워크를 이용하면 보고서의 내용대로 초기 개발과 투자 비용이 절약될수 있을 수 있으나, 개별적인 신호 전달을 통한 방법의 가장 큰 문제점은 중간에 1개의 노드라도 고장이 나거나 문제가 발생했을 경우에 대한 대비가 쉽지 않다는 것이다. 야간에 차량이 빠르게 주행하고 있는데, 여러 가로등 중에서 1~2개가 문제가 생겨 가로등이 1개라도 제대로 켜지지 않으면 위험한 상황이 발생할 수도 있을 것이다.

뉴티씨 차량 정보를 통해 가로등을 제어할 수 있는 점은 꽤 좋은 생각이며 차도에서 이 솔루션을 적용할 경우 단가 절감을 기대할 수 있다. 그러나 인도에서 적용한다면 크게 달라진다. 사람이 걷는 소리는 차량 통행시 발생하는 소음보다 작기 때문이다. 그리고 가로등은 차량보다는 사람의 가시성 확보를 위해 설계된 시설물이니, 이 부분을 보완했다면 좋았을 것 같다.

칩센 스마트 가로등 조명제어 시스템은 이미 2014년도 최원철 학위논문(석사)으로 발표 된 것과 거의 동일함으로 평가 대상자로 적합하지 않다고 본다.

위드로봇 제안한 아이디어의 핵심 요소 기술은 “가로등에 접근하는 물체를 어떻게 인식할 것인가?”와 “가로등끼리 어떻게 통신할 것인가?” 이다. 하지만 보고서에는 전자 기술의 경우 “마이크를 활용하여 차량 이동 시 발생하는 소리 이외에는 제거”라고 간단히 기술되어 있으며, 후자 기술은 “RF 무선 통신 모듈을 활용하여 정보 공유”로만 언급되어 있다. 본 보고서만으로는 구현한 시스템의 기술적인 차별성이나 구현의 완성도를 판단하기 어렵다.

개요

지구 온난화로 인해 세계 각국에서는 효율적 에너지 소비를 위한 에너지 절감 기술 또는 대체에너지에 관한 많은 연구들이 이루어지고 있다. 차량의 유무에 상관없이 항시 점등되어 있는 현재의 가로등 시스템은 과도한 에너지를 소비하는 장치 중 하나로 에너지 절감형 시스템의 도입이 필요하다.

과도한 CO₂ 방출의 폐해로 인해 가로등 시스템 분야에서는 태양광 에너지와, 조명 장치의 전력소모를 줄일 수 있는 LED가 결합된 태양광 LED 가로등 시스템이 각광을 받고 있다. 하지만, 태양광 LED 가로등 시스템은 태양광 패널의 낮은 전기 변환 효율과 축전지 용량의 한계 등으로 상용화에 어려움을 겪고 있다. 국내에서는 수출의 경우 최근 (주)서울마린에서 약 1000기에 해당하는 태양광 독립형 LED 조명 시스템을 해외에 수출 한 것이 전부이며, 내수는 일부 지차체 등에서 시범적인 운용만을 하고 있다. 기존에 공급된 시스템은 태양광 LED은 연속적인 흐린 날씨를 대비하여 태양광 전지 및 배터리 용량을 과도하게 설계되었거나, 야간의 일부시간에만 동작하는 등의 기술적 한계를 갖고 있다. 이런 문제를 극복하기 위해, 차량 운행 정보에 따라 지능적으로 가로등을 제어함으로써 전력사용 효율을 높여 이러한 단점을 극복한다면 태양광 LED 가로등 시스템의 국내 조기 도입 및 해외 수출에 크게 기여할 수 있을 것이다.

또한 현재까지 제시된 가로등의 전력 사용 효율을 높이는 기술 중에는 중앙 집중형 제어 구조를 가지고 있거나 이동 통신망을 활용하는 지능형 가로등 시스템이 있다. 하지만 중앙 집중형 구조가 갖는 고유한 문제인 초기투자 비용이나 이동 통신망을 활용할 경우 발생하는 유지비용등을 고려하면 현재 시장에 도입하기에는 매력적이지 못하다. 또 한, 차량 운행을 감지하는 방법에 대한 구체적 기술이 IP화 및 상품화되어 있지 않다. 도로상의 차량의 소리를 측정하여 차량의 유무를 판별하는 독창적 차량 인식 시스템과, 인식된 차량 정보를 공유하는 무선네트워크 등으로 구성되어 각각의 가로등이 개별적으로 가로등을 제어하는 분산형 태양광 가로등 제어 시스템이다. 분산형 시스템을 적용할 경우 중앙집중형 가로등 제어시스템이 갖는 단점인 초기 투자비 및 운용비를 줄임과 동시에 에너지 효율을 획기적으로 높일 수 있을 것이다. 국가적으로 조성하고 있는 자전거 전용 도로에 설치하기 최적화된 제품이며, 태양광 독립형 LED 조명 시스템뿐 만 아니라 일반 가로등에도 적용할 수 있는 기술로서 제품의 수요처는 무궁무진하다.

본 결과물의 응용분야로는 도로상의 나트륨 가로등, 태양광 LED 가로등 같은 가로등 분야에 직접 적용할 수 있으므로 태양광 LED 가로등의 조기 상용화에 기여를 할 수 있을 뿐 아니라, 비효율적 운용으로 낭비되는 국고와 CO₂발생량을 감소시키는 녹색기술 중 하나이다.

작품 설명

주요 동작 및 특징

본 기술은 자전거 전용도로 혹은 일반 고속도로 등에 설치하여 에너지를 절감하고자 하는 지능형 태양광 LED 조명 시스템이다. 본기술은 태양광 독립형 LED 조명 시스템이나 자전거 전용 LED 조명 그리고 나트륨등을 활용한 조명 시스템에 적용이 가능하다. 또한 이미 설치되어 있는 태양광 가로등 및 기존 나트륨 등에 추가 적용할 수 있다는 장점이 있어, 새로운 태양광 LED 조명의 수요처 뿐 아니라 기존 설치된 가로등 조명 시스템에 추가 공급할 수 있어 시장은 매우 넓다고 할 수 있다. 상기 열거된 조명 시스템에 적용되어 차량 운행 또는 사람의 이동 정보에 따라 지능적으로 가로등을 제어함으로써 에너지 효율을 극대화 할 수 있으며, 중앙 집중형이 아닌 분산형으로 동작함으로써 초기 투자비와 유지비가 과도할 수 있는 중앙 집중형이 갖는 단점을 극복할 수 있다.

그림 1-2. 자전거 전용 도로에 적용

이런 장점을 가진 독립형 태양광 LED 시스템에 본 제품이 적용된다면, 열악한 환경(일조량이 매우 적어 충전된 전기를 오랜 시간 사용할 수 없는 환경 등)을 고려하여 과도하게 큰 용량을 가지는 배터리 혹은 태양전지로 인한 가격상승 및 과도한 투자/유지비 등의 단점을 극복하여 태양광 LED 조명의 보급을 촉진 시킬 수 있을 것이다.

본 기술을 활용 예시를 통해 간략히 살펴본다면, 현재 정부와 지자체에서 적극적으로 확충을 추진 중인 자전거 전용도로에 설치되었을 경우 그림 1에서 보는 바와 같이 자전거가 이동할 때 인체 감시 센서 혹은 초음파 센서 등을 활용하여 사람을 인식하고 다음 가로등의 조명을 밝게 하거나 켜고, 지나간 위치의 가로등을 끄는 형태로 지능적으로 동작하여 에너지 효율을 높일 수 있다.

지능형 태양광 LED 조명 시스템이 그림2와 같이 자동차 도로에 적용 된 경우에는 음성 신호처리 기법을 이용하여 바람소리와 같이 정확한 차량인식에 방해가 되는 노이즈 성분을 제거한 후, 음성의 절대적 크기를 감지하고 감지된 크기를 차량 이동이 거의 없는 시간대의 음성신호와 비교하여 차량의 진입여부를 정확히 감지할 수 있다. 감지한 차량의 정보는 무선 센서 네트워크를 구성하여 다음 가로등 시스템에 제어 정보를 전송하고, 전송받은 제어 정보를 통해 가로등의 밝기를 조절하거나 점등/점멸하여 가로등을 제어한다.

아래 그림은 보유기술의 시제품의 가상도로서 보유기술은 세부적으로 차량 혹은 인체를 인식하는 센서부와 무선 센서네트워크를 구성하기 위한 통신부, 그리고 가로등 점멸을 위한 제어부로 구성되어 있다.

그림 3. 지능형 태양광 LED 조명 시스템의 Control Box

그림 4에서는 본 기술의 개략적인 시스템 구성도를 나타내었다. 그림4에 나타난 것과 같이 전체 시스템은 차량을 감지하는 센서부(20), 가로등 간의 통신이 이루어지는 통신부(30), 가로등을 구동하는 구동부, 이 모든 것을 제어하는 제어부(10)로 이루어져 있으며 차량을 감지하여 가로등 간에 구성된 무선 센서네트워크를 통해 차량 통행 정보를 교환하여 차량 운행에 따라 가로등을 제어한다.

그림 A 전체 시스템의 구성	그림 B 센서부의 구성

특히 지능형 태양광 LED 시스템에서 핵심적인 역할을 수행하는 차량 인식 모듈인 센서부(20)는 그림 5에서 보는 바와 같이 소리 측정부(22), 속도 측정부(23)와 계산을 하게 되는 계산부(21)로 구성되며 계산부는 다음 가로등의 점멸 시간을 계산할 수 있도록 차량의 통행 유무 또는 속도 등의 차량 정보를 추출해 낼 수 있는 장치이다.

전체 시스템구성

전체 시스템의 동작 순서와 알고리즘은 그림 A에 나타내었다. 그림 6에서와 같이 개발될 시스템은 센서부에서 설정된 기준값과 측정값을 비교하여 차량의 유무를 판별하여 가로등을 제어하게 되고, 각 가로등 간의 통신이 이루어져 유기적인 동작을 하게 된다. 전체 시스템 중 핵심이 되는 센서부의 구체적 알고리즘은 그림 7에서 나타내었다. 차량을 인식하는 과정을 간략히 요약하면, 차량 운행이 없는 상태에서 소리를 측정하여 저장 후 그 값에 대한 평균값을 계산하게 되고, 평균값에 대한 평균값을 다시 계산하는 과정을 반복하여 기준값을 설정하게 된다. 설정된 기준값을 일정 시간이 지나면 재설정하여 그 정확성을 높인다. 차량이 없는 상태의 기준값이 설정되면, 실제 차량의 운행 시 발생되는 소음만을 filtering해서 나온 결과물을 기준값과 비교하여 차량의 통행여부를 판별하고, 차량의 운행 속도 등의 정보를 추출한다.

그림 C. 전체 순서도	그림 D. 센서부 순서도

구동부
· Atmega16

음성인식부
· 마이크를 활용하여 차량 이동 시 발생하는 소리 이외에는 제거
· 차량의 소리를 인식하여 차량의 유무와 이동방향을 검출

센서부
· 초음파 센서를 활용하여 차량의 속도를 검출
· 자전거 전용도로에 적용하여 자전거를 인식

무선 네트워크부

· RF 무선 통신 모듈을 활용하여 다음 가로등과 정보 공유

개발환경

-	환경	비고
	CodeViesionAVR	제어부를 코딩하기 위해 사용
	Proteus 8 Professional	작업 초기 시뮬로 사용
	ATmega16	제어부로 사용

기술 구현

먼저 지능형 태양광 LED 조명 시스템을 활용 예시를 통해 간략히 살펴본다면, 현재 정부와 지자체에서 적극적으로 확충을 추진 중인 자전거 전용도로에 설치되었을 경우 자전거가 이동할 때 인체 감지 센서 혹은 초음파 센서 등을 활용하여 사람을 인식하고 다음 가로등의 조명을 밝히고, 지나간 위치의 가로등을 끄는 형태로 지능적으로 동작하여 에너지 효율을 높일 수 있다.
지능형 태양광 LED 조명 시스템이 <그림 7>과 같이 자동차 도로에 적용된 경우에는 음성 신호처리 기법을 이용하여 바람소리와 같이 정확한 차량 인식에 방해가 되는 노이즈 성분을 제거한 후 음성의 절대적 크기를 감지하고 감지한 크기를 차량 이동이 없는 시간대의 음성 신호와 비교하여 차량의 진입여부를 정확히 감지할 수 있다. 감지한 차량의 정보는 무선 센서 네트워크를 구성하여 다음 가로등 시스템에 제어 정보를 전송하고, 전송받은 제어 정보를 통해 가로등의 조명을 제어한다.

그림7. 자동차 전용도로에 적용

<그림 8>에서는 지능형 태양광 LED 조명 시스템의 제어 블록도를 나타내었다. <그림 8>에 나타난 것과 같이 전체 시스템은 가로등의 점등을 제어하는 가로등 구동부(110)와 타 가로등 장치와 통신하기 위한 통신부(120), 특정 방향으로 이동하는 감지 대상체의 이동을 감지하는 대상 감지부(130), 대상 감지부(130)를 통해 감지 대상체의 이동을 감지한 감지 결과에 따라 감지 대상체가 정의된 진입범위 내로 이동한다고 판단되면 이에 대응하여 가로등 구동부(110)를 제어하고 감지 결과에 근거한 점등제어정보를 통신부(120)를 통해 인접한 타 가로등 장치로 제공하는 제어부(140)로 이루어져 있다.

그림 8. 전체 시스템의 제어 블록도

지능형 태양광 LED 조명 시스템의 동작은 <그림 9>와 같이 가로등 장치는 감지 대상체의 이동을 감지하여 이동을 감지한 감지 결과, 감지 대상체가 정의된 진입범위 내로 이동한다고 판단되면 이에 대응하여 점등 기능을 제어하고 감지 결과에 근거한 점등제어정보를 인접한 타 가로등 장치로 제공한다. 타 가로등 장치는 제공된 점등제어정보를 토대로 자신의 점등 기능을 제어한다. 예를 들면, 타 가로등 장치는 제공된 점등제어정보로부터 점등대기시간정보를 인지하거나 점등제어정보에 근거하여 자체적으로 점등대기 시간정보를 계산하고, 이러한 점등대기 시간정보에 대응하여 가로등을 점등 또는 점멸할 수 있다.

그림 9. 지능형 태양광 LED 조명 시스템의 흐름도

기대효과

■ 태양광 LED가로등의 조기 상용화에 기여

태양광 LED가로등은 태양광전지로 전기를 생산하여 축전지에 저장한 후 야간에 조명을 켜는 차세대 가로등 시스템이다. 하지만, 현재 태양광 전지의 효율 및 축전지 용량 등의 문제와 함께 일조량의 문제로 항상 일정한 에너지를 축적할 수 없는 문제점으로 순수 대체에너지를 사용한 태양광 LED가로등 시스템은 갈 길이 멀다고 할 수 있다. 결과물로 가로등 시스템의 에너지 효율을 획기적으로 증가시킬 수 있다면 상기 단점을 극복할 수 있어 대체 에너지인 태양광을 활용한 가로등 시스템을 조기 도입할 수 있을 것이라 기대된다.

■ 차량 감지를 이용한 효율적 에너지 소비 및 국고 절감효과

야간 도로상의 나트륨 가로등(250W)을 1일 12시간 기준으로, 한 개의 가로등 당 연간 사용소비전력은 1,686.3KW이며, 100개의 가로등 총 사용량은 168,630KW, KW당: 75.50원 가로등 요금을 적용, 산출하면 전체 전기 요금은 12,731,565원이지만 본 사업 아이템을 적용 하여 차량의 유무에 따라 가로등을 제어함으로써 점등시간의 단축으로 인하여 사용소비전력 감소로 효율적 에너지 소비 및 연간 가로등에 사용되었던 예산을 보다 절감함으로써 국가 발전에 이바지 할 수 있다.

■ 유사 제품 대비 낮은 경쟁력

지능형 태양광 LED 시스템의 핵심 모듈 중 하나인 차량 인식부분을 마이크를 활용한 음성 신호처리 기술을 적용함으로써 이는 타 적외선, 레이저 등의 센서 보다 저비용으로 구현이 가능하다. 또한 분산형태의 시스템으로 초기 투자비용 및 유지비용이 저렴하며 현재 시스템에도 바로 적용 가능하므로 본 기술의 가로등 시스템을 조기 도입할 수 있을 것이다.

■ 효율적 에너지 소비로 인한 CO₂발생량 감소

가로등에 많이 사용되는 250W 나트륨등의 경우 12시간 동안 켰을 때 소모되는 전력 1㎾당 420g의 CO₂가 발생이 된다. 이러한 가로등 1만기가 연간 배출하는 CO₂의 양은 5000톤 가까이 되지만 본 사업의 결과물을 도입하면 차량의 유무에 따라 점등이 되므로 즉 점등시간을 단축시킴으로써 전력소비를 줄여 CO₂의 발생량이 감소하는 효과를 기대할 수 있다.

실제사진

설계도면

음성처리 소스코드 일부