A Study of Standby Power Control Based on Zigbee in Smart Home

스마트 홈에서 Zigbee 기반의 대기전력 제어 연구

Abstract

This paper designs and implements the 2 plug type standby power control outlet based on IEEE 802.15.4 using Zigbee and IPv6 network in order to reduce the standby power to the user. The standby power control system is consisted of direct power and standby power plug. Also this system can communicate bidirectionally in wireless because built-in wireless communication modules. One gateway is linked with many standby power control outlet in wireless. Each standby power control outlet executes the operation needed in power control independently. Also each standby power control outlet has its own power can be detected in real time independently of the power can be controlled.

1. 서 론

대기전력은 실제 가전기기의 사용여부와 상관없이 전원 콘센트만 꼽으면 소모되는 전기에너지로, 가구당 대기전력 소비는 연 평균 209KWh로 나타나며 연간 총 전력소비 3400KWh의 6.1%에 해당하는 대기 전력을 소모하는 것으로 나타났다. 이 수치는 일반 가정의 경우 보통 전체 전기 사용량의 6%이상이 대기전력으로 버려지고 있으며 한해 약 4천2백억원이 낭비되는 셈이다[1]. 이와 같은 이유로 국토 해양부는 ‘친환경 주택의 건설 기준 및 성능’에 대한 고시에서 ‘20세대 이상의 공동주택에 대해서는 거실, 침실, 주방에 대기전력 자동차단 콘센트 또는 대기전력 차단 스위치를 1개 이상 설치해야한다’고 명시하여 개별 가구마다 대기전력을 차단할 수 있는 콘센트가 전체 콘센트의 30% 이상 되어야 한다고 의무사항을 조정한다[2]. 이에 댁내 또는 건물 내의 대기전력을 제어하기 위해 일반 콘센트가 아닌 별도의 감지 및 제어 장치를 추가한 대기전력제어 시스템 개발이 지난 5년 내 많은 발전을 거듭해 왔다. 초기에는 IR 방식의 원격 제어를 활용하여 대기전력을 제어하는 시스템이 주를 이루었다면 2, 3년 전부터는 좀 더 지능적이고 많은 기능을 처리하기 위한 무선 통신을 활용한 시스템 개발에 노력이 진행되고 있다. 하지만, 기존의 대기전력제어 시스템 관련 장비들 역시 통신 및 전력 측정을 위해 대기전력이 소모되는데 이는 일반 다른 가전제품 2,3,대의 대기 전력 소모량과 비슷한 적은양이지만 이 역시도 대기전력 소모에 포함되므로 이를 보완하기 위한 저 전력 기반의 시스템 개발이 필요하다.

본 논문에서는 저 전력 IEEE 802.15.4와 Zigbee통신 기반의 2구 매립형 대기전력제어 시스템을 설계하고 구현한다. 제안한 대기전력제어 시스템은 STMicroelectronics사의 스마트 그리드 표준형 신형 단일칩 무선 마이크로 컨트롤러 STM32W108CB을 이용하여 콘센트 형태로 개발한다. 그리고 스케쥴에 의한 릴레이 On/Off 제어 기능을 제공하며, 일정 시간동안 전력 사용량을 확인하여 자동 전원을 차단한다. 향후 이 시스템은 스마트 에너지 프로파일 2.0 표준 지원을 위해 IPv6 통신이 지원 되도록 연구한다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 서론에 이어 2장에서는 대기전력제어시스템 관련 연구를 기술하고, 3장에서는 제안한 대기전력제어 시스템의 구조를 소개하고 무선 통신 모듈과 전력측정 및 제어의 구현과, 센서 네트워크 구성에 대해 설명한다. 4장에서는 모니터링 프로그램과 결합하여 구현된 대기전력제어 프로토타입의 동작을 실험하고 분석하여 검증한다. 마지막으로 5장에서 결론을 맺는다.

 

2. 관련 연구

에너지 절감 및 효율의 문제가 대두되면서 안정적인 에너지 공급 및 효율적인 사용을 위한 기술의 필요성으로 인해 지능형 전력망 기술의 필요성이 대두되고 있다. 이와 관련하여 대기전력에 대한 이슈가 증가하면서 이를 줄이기 위한 연구가 진행되는데 기본적인 대기전력제어 시스템의 구성은 n개의 대기전력자동차단콘센트와 IHD(In Home Display) 또는 게이트웨이가 유무선 네트워크를 통해 연동하여, 콘센트를 통해 측정된 각 전자 기기별 소비전력을 실시간으로 사용자에게 보여주며 각 콘센트의 전원을 원격지에서 사용자에 의해 전력을 On/Off 제어 하거나 스스로 현재 사용량을 판단하여 자동 대기전력 차단할 수 있다. 또한, 측정된 수치를 기반으로 그래프를 통한 전력 사용량 통계 정보 제공, 실시간 전력 사용량 계산을 통한 요금 조회 등으로 구성되어 있다.

Table 1을 보면 상용화 되어 판매 되거나 신규건물에 설치가 되는 기존 보급형 대기전력자동 차단 콘센트의 제품들은 대부분 IR 방식을 활용하고 있으며, 원격 제어 방식을 이용하고 있다. 이는 장애물이 있을 경우 통신 상의 한계를 갖고 있으며, 사용자에게 불편하며, 내구성에 문제점을 갖고 있어 이를 해결하기 위한 연구가 진행하고 있다.

Table 1.Compare product commercialization stage standby power outlet

Table 2에서와 같이 대기전력을 제어하기 위한 스마트 플러그의 최근 국내외 기술 동향은 IEEE 802.15.4, Bluetooth, WiFi 기반의 무선 방식과 상호 디바이스 간 연동을 위해 SEP 1.1, SEP 2.0등의 프로토콜을 사용하여 제조사에 상관없이 스마트폰을 사용하여 동일한 스마트 플러그 서비스 이용이 가능하도록 기술 개발이 이루어지고 있다.

Table 2.Smart plug technology trends at home and abroad

이와 관련하여 일반적으로 마스터 장치와 슬레이브 장치 또는 에이전트(Agent), 서버로 구성된 대기 전력 시스템을 구현하여 슬레이브 장치의 릴레이 모듈 제어를 통해 전력 On/Off를 관리한다. 이때, 수동으로 슬레이브 장치의 스위치 조작을 통해 전력을 제어할 수도 있다. 기본적인 통신 방식은 무선 방식의 양방향 통신을 사용하며 TinyOS, NanoQPlus 등의 센서 네트워크 OS를 사용하고 있다. 무선을 통한 전력 사용량 정보를 실시간으로 수집하여 서버에 저장하며 로그 분석을 통해 시스템 관리자에게 정보를 제공하며 관리자가 부재중일 경우 기존 설정된 값을 갖고 대기전력을 제어한다[3]. 이와 같이 대기전력제어 시스템의 주요 기능인 대기전력을 제어하기 위한 방법으로는 관리자에 의한 원격지에서의 전력 On/Off 제어, 콘센트에 설치된 스위치 작동에 의한 전력 On/Off 제어, 설정된 임계치 값에 의한 제어, PIR 센서를 활용하여 사용자의 위치파악을 통한 제어[4], 스마트폰의 블루투스 기능과 연동하여 사용자의 스마트폰을 이용하여 사용자 위치판단을 하고, 사용자의 위치에 따라 능동적으로 제어 기술을 개발하고 있다[5]. 마지막으로 측정된 전력 사용량 정보에 대한 모니터링 방법으로는 Web서비스를 통한 모니터링, 스마트폰을 이용한 모니터링 방법, IHD(In-Home Display)를 활용한 아파트 단지 내 전력 사용량 모니터링 및 제어를 하는 방법이 있다[6].

스마트그리드 구현에 있어 가장 큰 특징 중의 하나가 소비자가 에너지 생산 및 사용을 관리하는 것인데 이를 위해선 다양한 장치 간에 정보교환이 필요하다. 스마트 에너지 프로파일 2.0은 이러한 장치 간 상호 운용성 제공을 위한 표준으로 미국 NIST(National Institute of Standards and Technology)가 지정한 스마트그리드의 상호 운용성 표준 중 하나이다[7,8].

 

3. 대기전력제어 시스템 설계

IEEE 802.15.4 기반 무선통신을 이용하여 1분단위로 측정한 전력을 게이트웨이로 전송하며, 전력을 측정하기 위해 1초 단위로 전력을 측정하며 60초간 측정값으로 환산하여 전송한다. 전력을 On/Off는 외부에서 명령을 통해 제어하는 방식 외에 자체적으로 설정된 임계치 값을 갖고 제어한다. 현재 측정된 전력사용량을 비교하여 3W 이하 값이 2분 30초간 지속되면 자동 전원 Off 되며, 측정된 주변 온도 값이 60도 이상 5초가 유지되면 자동 전원 차단된다. 측정된 전류, 전압, 온도 값은 1분 단위로 게이트웨이로 전송한다. Fig. 1은 제안한 대기전력제어 시스템의 흐름을 보여주고 있다.

Fig. 1.Standby power control System flow chart.

제안한 대기전력제어 시스템은 전력 미사용 시의 불필요한 대기전력을 0.6W 이하로 감소시킴으로서 전력 소모를 자동으로 줄이고자 한다. 대기전력제어 시스템에서는 전력량, 전류, 전압, RF On/Off, 온도 정보를 분석하고, 절전과 Zigbee 기반 통신 기능을 관리 할 수 있다.

Fig. 2와 같이 AC-DC 레귤레이터 LNK306과 전류, 전압, 전력 수치, 온도 측정을 위해 단상전력측정칩인 ADE7753을 사용하여 전력을 측정하고 분석한다. Fig. 3과 같이 단상 전력 측정 칩인 ADE7753을 기반으로 클램프식의 전류평형과 잔류자속밀도를 ‘0’이 되게 유지, 도선에 전류가 흘러 발생하는 자장을 검출하는 자기보상방식을 채택하여 교류 전류를 정화하게 측정할 수 있으며, 설정하는 전력량에 따라 기본 3W이하로 2분 30초 또는 10분간 유지될 경우 자동 릴레이(Relay) 차단 가능하도록 절전 기능을 제공한다.

Fig. 2.Standby power control system H/W structure.

Fig. 3.Designed power measurement unit of standby power control system.

Fig. 4.에서와 같이 대기전력제어 시스템은 각 센서값 측정 및 센서 네트워크 운용을 위한 임베디드 운영체제로 ETRI의 NanoQplus를 활용한다. n개의 콘센트와 1개의 게이트웨이를 기본 구성으로 한다. 이때 각각의 콘센트를 제어 및 양방향 통신을 위해 IEEE 802.15.4 기반의 RF 통신과 802.15.4 호환 칩에서 동작 가능한 6LoWPAN Adaption Layer를 포함하는 네트워크 스택을 활용하여 IPv6 통신이 가능하다. 대기전력제어 시스템에서 전송되는 데이터에 대해 수집 및 제어, 모니터링을 위해 웹서버가 내장된 임베디드 기반의 게이트웨이 및 이를 활용한 모니터링 응용 프로그램이다. 대기전력제어 시스템과 게이트웨이 간 RF 통신을 통해 데이터를 수집하며, 게이트웨이 내부에 PHP, Lighttpd, SQLite를 포팅하여 자체적으로 웹 서버를 구성한다. 대기전력제어 시스템에서 전송되는 데이터는 게이트웨이 내 데이터베이스에 저장이 되며 웹서버를 통해 인터넷이 되는 지역이면 어디서나 원격지에서 모니터링 및 각 콘센트에 대한 제어가 가능하다. 게이트웨이에서 동작하는 미들웨어는 연결된 각 콘센트에 대해 실시간 전력 사용량을 감시하며 설정된 임계값 또는 스케쥴에 의해 콘센트의 전력 On/Off를 제어할 수 있는 명령어를 전송한다. 게이트웨이에서 자체적으로 처리하는 방식 외에 PC 기반에서도 모니터링 및 제어가 가능하도록 미들웨어는 수집된 정보를 TCP/ IP 통신을 통해 연결된 서버로 데이터를 전송하며 서버에서 요청하는 명령어를 받아 해당 콘센트로 On/Off 명령을 전달한다.

Fig. 4.Standby power control system and gateway.

 

4. 대기전력제어 시스템 구현

대기전력제어 시스템의 전력 측정값 전송 및 원격지 제어를 위한 게이트웨이와의 통신 모듈은 저전력의 ARM Cortex-M3 코어를 사용하고, IEEE 802.15.4 기반 2.4GHz 무선 통신 성능이 통합된 STMicroelectronics사의 STM32W108CB를 선택한다. STM32W108CB 칩은 IEEE 802.15.4 MAC, Zigbee IP 및 스마트 에너지 프로파일 2.0 소프트웨어 라이브러리를 포함하고 있어 SEP2.0 표준 지원을 위한 IPv6 통신이 가능하다. 향후 SEP2.0을 지원하기 위해 IPv6기반 양방향 통신이 가능하도록 설계하였으며, 콘센트가 최초 동작 시 최초 설정된 게이트웨이의 매체접근제어 주소(Mac address)로 데이터 전송, 게이트웨이는 수집된 각 콘센트의 매체접근제어 주소를 관리하여 제어 및 설정 변경 시 목적지 매체접근제어 주소로 사용한다.

개발된 대기전력 제어 시스템의 결과는 다음과 같다. Fig. 5에서 통신 모듈은 SEP2.0 이상의 프로토콜을 지원하기 위해 STMicroelectronics사의 스마트 그리드 표준형 신형 단일칩 무선 마이크로 컨트롤러 STM32W를 선택하여 IEEE 802.15.4 또는 IPv6기반 통신이 가능하도록 구현하며, 통신 모듈은 콘센트와의 인터페이스 부분은 기존의 탈부착이 가능하도록 구성한다.

Fig. 5.Prototype implementation of communication module.

대기전력제어 시스템 PCB는 Fig. 6과 같이 구현한다. 2구를 기반으로 하여 1구는 Relay를 통해 전력을 제어할 수 있도록 하였고 나머지 1구는 상시로 사용할 수 있다.

Fig. 6.Implementation results of PCB (a) AC Block (b) DC Block.

대기전력제어 시스템은 콘센트 형태로 구현되며, 실험하기 위한 외부 케이스는 2구중 상단은 상시 전력용으로 하단의 녹색 구는 대기전력제어 시스템용으로 구성한다.

대기전력제어 시스템에 대한 성능을 실험하기 위해 RF 및 IPv6 통신 가능한 대기전력 차단 콘센트와 게이트웨이 간의 양방향 통신 지원 어플리케이션을 구현한다. NanoQplus 기반 Relay On/Off 제어 및 전력 센서를 통한 전력 사용량 취득, 게이트웨이와의 양방향 통신 지원, 전류 센서인 ADE7753 측정 드라이버 개발, 측정된 전력 값에 대한 통계 프로그램 개발을 통해 제품 실험을 진행한다.

Fig. 7과 같이 대기전력 차단 시스템을 통해 수집된 데이터를 기반으로 당일, 당월, 전월, 전년 동월 전력 사용량에 대한 정보를 표시하며 각 사용량에 대한 실시간 전력 요금을 계산한다. 연결된 모든 대기전력제어 시스템의 노드별 전력사용량 및 콘센트 온도, 현재 상태 정보 표시 가 가능하며 노드별 또는 전체 연결된 콘센트에 대한 전력 On/Off 제어가 가능하다. 데이터베이스에 저장된 전력사용량을 기반으로 최근 12개월간 사용량 변화, 한 달간 전력 사용량, 일주일간 전력 사용량에 대해 그래프로 표현한다.

Fig. 7.Display real-time usage and electricity prices.

자체 전력사용량 감시 및 원격에서 전력 제어가 가능한데 모니터링 프로그램을 통해 선택된 콘센트에 대한 On/Off 제어 및 스케쥴에 의한 릴레이 On/Off 제어, 저장(Save) 모드를 정하여 일정 시간동안 전력 사용량을 확인하여 자동 전원을 차단한다. 기본 설정 값은 3W 이하로 2분 30초간 유지될 경우 자동 전원이 차단된다. 그리고 향후 전력 사용량 예측 및 패턴 분석을 위해 전월 사용량, 전년 동월 사용량을 기준으로 일일 사용량에 대한 평균값을 대입하여 당월 전력 사용 요금을 예측 하도록 개발한다. 또한 전력을 사용하지 않을 경우의 대기전력 측정 결과 평균 0.51W로 측정된다.

 

6. 결론 및 향후 연구

최근 에너지를 비롯한 다양한 분야에서 센서 네트워크 기반의 연구가 진행되고 있다[9]. 에너지관리공단에서는 “대기전력저감 프로그램 운용규정”을 개정하였는데 개정된 주요 내용으로 자동절전제어장치의 대기전력 차단 기준을 기존 1W이하에서 에서 0.5W 이하로 강화하고 있다[10]. 더불어 이에 통신 방식 및 데이터 포맷, 제어 기능 등 상호 운용성 검증에 대한 준비가 필요하다. 본 논문에서 STMicroelectronics사의 STM32W108CB을 이용하여 IEEE 802.15.4와 Zigbee 기반의 2구 매립형 대기전력제어 시스템을 콘센트 형태로 개발한다. 제안한 대기전력제어 시스템을 활용하여 가전기기의 대기전력 제어 상태 실험 결과 전력을 사용하지 않은 상태에서의 대기전력 측정 수치는 0.534W로 측정되어 대기전력 절감 효과를 검증한다.

향후 대기전력제어 시스템의 대기전력제어 수치에 대한 변경이 요구되며, 이를 기반으로 좀 더 효과적인 대기전력제어 및 상용화를 위한 몇 가지 개선사항이 필요하다.