A Study on Development of Independent Low Power IoT Sensor Module for Zero Energy Buildings

제로 에너지 건축물을 위한 자립형 저전력 IoT 센서 모듈 개발에 대한 연구

Abstract

The energy consumed by buildings among the total national energy consumption is more than 10% of the total. For this reason, Korea has adopted the zero energy building policy since 2025, and research on the energy saving technology of buildings has been demanded. Analysis of buildings' energy consumption patterns shows that lighting, heating and cooling energy account for more than 60% of total energy consumption, which is directly related to solar power acquisition and window opening and closing operation. In this paper, we have developed a low - power IoT sensor module for window system to transfer acquired information to building energy management system. This module transmits the external environment and window opening / closing status information to the building energy management system in real time, and constructs the network to actively take energy saving measures. The power used in the module is designed as an independent power source using solar power among the harvest energy. The topology of the power supply is a Buck converter, which is charged at 4V to the lithium ion battery through MPPT control, and the efficiency is about 85.87%. Communication is configured to be able to transmit in real time by applying WiFi. In order to reduce the power consumption of the module, we analyzed the hardware and software aspects and implemented a low power IoT sensor module.

국가 총에너지 소비량 중 건축물에서 소비하는 에너지는 전체의 10% 이상을 차지고 있다. 이러한 이유로 우리나라는 2025년부터 제로에너지 건물 의무화 정책을 채택하였고, 결국 건축물 에너지 절감 기술에 대한 연구가 요구되고 있다. 건축물 중 빌딩의 에너지 소비 형태를 분석해보면 조명 및 냉난방 에너지가 전체 에너지 소비량의 60% 이상을 차지하고 있는데, 이는 태양광 취득률 및 창문의 개폐 운용과 직접적인 연관이 있다. 본 논문에서는 건축물에너지 관리시스템에 취득 정보를 전송하기 위한 창호용 저전력 IoT 센서 모듈을 개발하기 위해 연구를 진행하였다. 이 모듈은 외부 환경 및 창문 개폐 상태 정보를 실시간으로 빌딩 에너지 관리 시스템에 전송하여 능동적으로 에너지 절감 조치를 취할 수 있게 네트워크를 구성하였다. 모듈에 사용되는 전력은 하베스트 에너지 중 태양광 발전을 이용한 독립적인 전원으로 설계하였다. 전원은 Buck 컨버터를 적용하여 MPPT 제어를 통해 리튬이온 배터리에 4V로 충전하는 방식으로 효율은 약 85.87%이다. 통신은 WiFi 방식을 적용하여 실시간으로 전송할 수 있도록 구성하였다. 모듈의 소비전력 저감을 위해 하드웨어 및 소프트웨어 측면에서 분석하여 저전력 IoT 센서 모듈을 구현에 대한 연구를 진행하였다.

그림 1. IoT 센서 모듈의 전체 시스템 구성 Fig. 1. Overall System Configuration of IoT Sensor Module

그림 2. 전원 모듈의 회로도 Fig. 2. Schematic of Power Module

그림 3. ESP-WROOM-02의 기능도 Fig. 3. Features of ESP-WROOM-02

그림 4. IoT 센서 모듈의 소비 전류 파형 Fig. 4. Current Consumption Waveform of IoT Sensor Module

그림 5. Sleep Mode에 따른 전류 흐름 Fig. 5. Current Flow according to Sleep Mode

그림 6. 개발된 Firmware의 저전력 알고리즘 Fig. 6. Low-Power Algorithm of Developed Firmware

그림 7. IoT 센서 모듈의 시제품 Fig. 7. Prototype of IoT Sensor Module

그림 8. 전원 모듈의 실험 환경 Fig. 8. Experimental Environment of Power Module

그림 9. 전원 모듈의 실험 결과 Fig. 9. Experimental Result of Power Module

그림 10. 센서들의 위치 Fig. 10. Location of Sensors

그림 11. 데이터의 흐름도 Fig. 11. Flow Chart of Data

그림 12. 클라이언트 프로그램 실행 화면 Fig. 12. Client Program Execution Screen

그림 13. 계측 정밀도 시험 구성 Fig. 13. Configuration of Measurement Accuracy Test

그림 14. 모듈 간 Access 시간 시험 Fig. 14. Access Time Test between Modules

그림 15. 창호에 적용된 시제품 Fig. 15. Prototype applied to Window

그림 16. BEMS 인터페이스 화면 Fig. 16. BEMS Interface Screen

표 1. 센서 사양 Table 1. Specification of Sensors

표 2. IoT 무선통신 프로토콜의 사양 Table 2. Specification of IoT Wireless Communication Protocols

표 3. 계측 정밀도 결과 Table 3. Measurement Accuracy Result