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효율적인 커넥티드 조명을 위한 선택


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글/브루노 데미안(Bruno Damien), 온세미컨덕터 IoT 전략 마케팅 디렉터


조명은 전세계적으로 가장 많은 에너지를 소비하는 부문 중 하나이다. 이에 따라, 비용과 환경에 대한 우려가 증가하면서 조명의 효율과 기능을 최적화하고, 전력 수요를 줄이기 위해 기술과 혁신을 적용할 수 있는 방법을 찾는 것이 점점 더 중요해지고 있다.
스마트 및 커넥티드 조명 제어는 효율 개선 및 더 많은 기능에 대한 요구를 충족시켜준다. 주거용 애플리케이션의 스마트 제어 조명 시장은 산업용 빌딩 시장에 비해 4배 정도 크다. 이들 모두 사물인터넷(IoT) 부문에서 가장 빠르게 성장하고 있는 분야다. 일반적으로 주거용 커넥티드 혹은 커넥티드 조명 시스템은 산업용 조명 시스템보다 훨씬 단순하며, BoM(Bill of Materials)이 낮으며 및 가격도 저렴한 편이다.
가장 단순한 수준에서 커넥티드 조명은 원격으로 또는 미리 설정된 시간에 맞춰 조명을 켜고 끌 수 있으며, 더 나아가, 커넥티드 조명 시스템은 LED의 조광, 색 제어와 같은 추가적인 기능을 더할 수 있다.
이 외에도, 센서에 주변 조명 수준에 따라 조명을 제어하거나 실내에 있는 사람을 감지하는 여부 등을 추가할 때 사용할 수 있는 광범위한 옵션이 있다. 산업용 애플리케이션의 경우, 온도, 습기 및 조명 등의 센서는 데이터를 사용해 제어하고, 시스템 유지보수를 지원해 매우 유용하다.
오늘날 유비쿼터스 스마트폰은 조명 시스템이 전용 화면이나 복잡한 버튼에 필요한 비용없이 모바일 기기에 정교한 사용자 인터페이스를 제공하는 것을 의미한다.

모든 것이 함께 연결되다

스마트 조명 시스템의 가장 중요한 부분 중 하나는 모든 것이 어떻게 통신 되는 지, 사용되는 연결 기술이 무엇인지이다. 연결에 필요한 요구사항에는 시스템을 주문할 때, 사용 중인 각 장치 간의 링크 및 빌딩 관리 시스템과 조명 제어 사이의 통신을 포함한다.
첫 번째 결정은 유무선 연결에 대한 여부에서 비롯된다. 배터리로 작동하는 조명의 경우, 무선은 케이블의 연결이나 라우팅이 필요하지 않으므로, 상당한 비용 절감 효과를 얻을 수 있다. 조명에 사용되는 인기 무선 프로토컬은 블루투스 저에너지(BLE) 및 지그비 그린 파워(Zigbee Green Power)이며, NFC(Near Field Communications)는 설정 및 주문시 사용될 수 있다.
주전원 조명의 경우, 전원 케이블과 함께 두 번째 데이터 케이블을 사용할 필요가 없으므로 무선이 여전히 좋은 선택일 수 있다. 또는 PoE(Power over Ethernet)로 이제 전원 및 연결 모두에서 단일 케이블을 사용할 수 있음을 뜻한다.

조명 시스템용 PoE

PoE 2 표준(802.3bt)은 최대 90W의 전력을 공급할 수 있으며, 이는 기존 백열등에 비해 전력 소비량이 낮은 LED 기반 조명에 충분하다
이에 대한 예로, IEEE 802.3bt 호환 통합 컨트롤러를 사용하여 이더넷 케이블을 통해 전원을 공급받는 60W 연결 조명 솔루션을 들 수 있다. 이 솔루션은 온세미컨덕터의 FL7760 하이-사이드 센싱, 정전류 벅 컨트롤러가 적용된 2개의 LED 채널로 최대 2개의 LED 스트링을 지원할 수 있다.
이러한 구성으로 PWM 신호는 1.3MHz의 PWM 주파수를 사용하여 0에서 100% 조광 제어를 할 수 있다. 밝기 제어는 RF 가능 하베스팅 솔루션이 지원되는 RSL10과 같은 BLE로 한다. RSL10의 공급 전압은 단순한 고전압 LDO에 의해 제공된다.
이 솔루션은 90% 이상의 효율로, PoE 컨트롤러에서 공급되는 거의 모든 에너지를 빛으로 변환하여 최대 6000 루멘까지 제공할 수 있도록 설계가 가능하다. 이러한 성능은 소비 전력을 최소화하면서 연결된 조명 솔루션을 제공해야 한다는 요구 조건에 잘 부합한다.

블루투스 저에너지 메시 네트워킹

무선 메시 기술은 단순한 포인트-투-포인트 통신과 달리 많은 수의 기기가 상호 연결 및 외부와도 연결이 가능하기 때문에 산업용 조명 애플리케이션에 이상적이다. BLE는 이제 내장 보안 기능을 표준으로 사용, 최대 32,000대까지의 메시 네트워크를 만들 수 있어서 확장형 조명 솔루션의 설정을 크게 단순화한다.

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[그림 1] BLE 메시 디바이스는 메시 프레임워크를 지원하기 위해 다른 기능을 가질 수 있다.(출처: Bluetooth SIG)

메시 내에서 각 노드는 하나 이상의 다른 기능을 갖는 조명으로 동작할 수 있는데, 각각의 기능은 전체 메시 프레임워크의 기능에 필수적이다. 릴레이 노드는 수신된 메시지를 재전송할 수 있어서 필요한 경우 네트워크를 거의 무한대로 확장할 수 있다. 프록시 노드는 BLE가 아니거나 또는 BLE가능한 노드와의 통신으로 이들 노드를 메시로 포함시키며, 프렌드 노드는 저전력모드에서 동작하는 다른 노드를 위해 메시지를 저장한다. 저전력 노드는 주기적으로 프렌드 노드의 메시지를 폴링, 더 많은 에너지를 절약한다.
보안은 연결된 모든 시스템에서 필수적이며 BLE 메시 네트워크도 예외는 아니다. 모든 메시지는 암호화 및 인증되며, 난독화로 인해 메시지 추적이 어려워 리플레이 공격으로부터 보호된다. BLE 프로토콜에는 보안 키를 변경하는 프로세스와 메시에 노드를 추가하는 또 다른 보안 프로세스가 있다. BLE 네트워크에서 노드가 제거될 때 트래쉬캔 공격을 방지하기 위해 이 작업도 안전하게 수행된다.
BLE 메시 네트워킹에 대한 대안적 접근은 지그비 그린 파워로 구축된 지 더 오래되었다. 지그비는 IEEE.802.15.4 MAC와 PHY를 기반으로 구축됐으며, 이케아(IKEA), 샤오미(Xiaomi), 필립스(Philips) 등의 조명 제품에 사용된다. 친환경적이고 저전력인 이 프로토콜은 새로운 건물 트렌드에 적합하고 건물 내 구현, 배치 및 재구축이 용이하다.
BLE는 자체 메시 모델을 갖고 있으며 클라우드 연결을 위해 스마트폰을 사용하는 반면, 지그비는 닷닷(Dotdot)이나 지그비 클러스터 라이브러리(ZCL)에 의존하고 있으며 지그비를 지원하는 모바일 장치가 거의 없기 때문에 전용 게이트웨이가 있다.

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[그림 2] BLE 메시와 지그비 프로토콜의 비교

지그비는 무배터리 혹은 에너지 하베스팅 기술을 활용해 휴대가 가능하고, 친환경적이며, 유지관리할 필요가 없는 조명 스위치를 가능하게 한다. 배선이 필요 없어 거의 모든 곳에 배치할 수 있고 설치비용도 매우 저렴하다.

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[그림 3] 에너지 하베스팅 스위치 페어링은 간단하고 신속한 프로세스다.

온세미컨덕터의 NCS36510과 같은 장치를 사용하여 에너지 하베스팅 스위치를 쉽고 빠르게 설정할 수 있다. 완전히 통합된 저전력 시스템온칩(SoC)은 고급 전원 관리 및 IEEE 802.15.4 호환 송수신기를 제공한다. 그것은 최소한의 외부 부품만으로 완전하고 안전한 무선 네트워크 설계를 지원한다.

커넥티드 조명 플랫폼

온세미컨덕터는 간편하고 신속한 개발을 위해 산업용 LED 조명 솔루션을 위한 모듈형 개발 키트를 개발했다. 이 커넥티드 조명 플랫폼은 RSL10 시스템 인 패키지(SiP)로 제작된 연결 모듈이 포함되어 있어 켜기/끄기, 조광, 및 설정과 같은 제어가 가능하다.
RSL10 FOTA 모바일앱은 구글 플레이™와 애플 앱스토어에서 이용할 수 있으며 무선 펌웨어 업그레이드를 지원한다. RSL10 센스 앤드 컨트롤(Sense and Control) 앱을 통해 개발자들은 모바일 장치에서 환경 센서 및 액추에이터를 제어하고 모니터링할 수 있다. CMSIS 팩에서 제공되는 예제로 새로운 기능 추가 및 사용자 목적에 맞는 변경등을 지원한다.
커넥티드 조명 플랫폼은 최대 2개의 LED 스트링을 지원한다. LED 드라이버 보드는 각 LED 스트링마다 한 개씩, 총 2개의 FL7760 드라이버를 탑재해 스트링 당 최대 70W를 제공한다. 전반적으로 이 시스템은 최대 70 와트를 공급, 최대 7000 루멘을 제공할 수 있으며 고효율 LED(예: 150루멘/와트)를 선택하면 더 많은 루멘을 제공할 수 있다. 파워 모듈의 선택은 AC/DC 전원 공급 장치 또는 PoE를 사용해 플랫폼에 전력을 공급할 수 있음을 의미한다.

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[그림 4] 커넥티드 조명 플랫폼

유연성 및 제어

시스템이 비교적 단순하더라도 커넥티드 조명은 저소비 전력이라는 이점을 줄 수 있어 비용을 절감한다. 이러한 점은 커넥티드 조명이 산업 환경과 주거 환경의 많은 사용 사례에서 탁월한 선택으로 평가받는 이유다. 커넥티드 조명의 기능이 향상됨에 따라 의료 요법 및 농업과 같은 새로운 응용 분야들이 생겨나고 있다.
이러한 모든 영역에서 BoM 비용을 낮게 유지하고 정교한 특징과 단순함 사이 균형을 유지하는 최적화된 제어 시스템이 필요하다. 온 커넥티드 라이팅 플랫폼(ON Connected Lighting Platform) 과 같은 EMS 친화적 BoM이 적용된 디자인 키트를 사용함으로써 개발자는 LED 조명 시스템을 구축하는 데 소중한 시간을 절약하고 어떤 애플리케이션이든 위험을 줄일 수 있다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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