지능형 옥외 LED 등기구를 위한 인체감지용 멀티센서 시스템 연구 = A Study on Multi-Sensor System Detecting Human Body for Intelligent Outdoor LED Luminaire

국문 초록 (Abstract)

조명용 LED 광원은 광변환 효율과 가격경쟁력이 급격히 개선되고 있다. 최근 에너지의 효율적인 운영을 목적으로 가로등이나 보안등과 같은 옥외용 등기구들도 점차 LED 등기구로 교체되어 가고 있다. 특히 옥외용 LED 등기구의 에너지 절감을 극대화하기 위한 제어 기술에는 자동 센서 감지 기술, LED 디밍 제어기술, SMPS 설계기술, 유/무선 통신 제어 기술 등이 있으나 두 가지 이상을 연계한 시스템으로 연구 개발되고 있지는 않다. 한편 에너지절약을 위한 정부시책으로 국토교통부의 도로안전시설 설치 및 관리지침에 따라 옥외용 조명기구는 에너지 절약을 위해 디밍제어를 의무화하고 있다.
응답속도가 빠른 LED광원의 장점으로 조명제어가 용이해지면서 빌딩, 주차장 등과 같은 실내조명에서는 인체 감지 센서를 사용한 지능형 LED 조명시스템의 개발 사례가 늘어가고 있다. 반면에 실내 환경과 다르게 실외 환경에서는 온도, 습도, 바람, 빛, 먼지 등의 다양한 변수요인이 작용하므로 인체감지를 위한 비접촉식 센서를 사용할 경우, 오보 확률이 높고 감지범위가 협소해진다. 따라서 비접촉식 센서의 감지능력을 고려한 최적화 설계를 통해 감지범위를 확장시키고 신뢰성 있는 센서 시스템의 개발이 시급하다.
본 논문에서는 PIR(Passive Infrared) 센서와 M/W(Microwave) 센서를 적용한 인체감지용 멀티센서 시스템을 설계하고, 효율적인 운영을 위한 보행자 행위패턴 알고리즘을 반영하여 옥외 LED 보안등기구의 지능화를 검증하였다. 이를 위해 PIR 센서의 반사판을 설계하고 M/W 센서와 함께 감지영역을 예측하였고, 각각의 센서 감지율 실험을 통해 예측한 감지영역을 검증하였다. 또한 행위패턴 시나리오를 가정하여 설치조건에서의 행위패턴에 따라 디밍제어 및 점등시간 제어를 위한 알고리즘을 제안하여 알고리즘에 따라 실제 운용되었을 때 종래의 LED 등기구와의 비교평가를 통한 에너지 절감효과를 분석하였다.
감지율 실험결과 PIR 센서의 거리별 감지율은 81 ∼ 97 %로 측정되었으며, M/W 센서의 거리별 감지율은 모든 감지거리에서 82 % 이상으로 측정되었다. PIR 센서를 추가 설치하여 초기 설계 시 발생한 무감지 영역을 보완하였고, 감지효율 증가와 알고리즘 적용을 위해 M/W를 추가 설치하였다. 그 결과 옥외 LED 보안등기구의 설치조건에서의 감지각 180 도, 감지거리 15 m를 확보하고, 제안된 알고리즘으로 사용자의 위치와 행위패턴에 따라 3단계의 실시간 조명제어가 가능하다. 종래의 LED 등기구와 비교 평가한 결과 디밍 제어 시 최대 9.0 %의 광효율을 향상시킬 수 있으며 41.3 % 에너지 절감이 가능하다. 본 연구에서 개발된 멀티센서 시스템을 옥외용 LED 조명기구에 적용하면 지능화를 통한 에너지 절감이 가능하다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The technical capabilities of LED and its light-conversion efficiency are undergoing improvement rapidly, while its price-competitiveness as a light source has also improved significantly. At present, there is a gradual transition to LED luminaire for outdoor such as road and street luminaire to make them energy efficient. In particular, energy control technologies designed to maximize the energy efficiency of outdoor LED luminaire include wired/wireless communication control, automatic sensor detection, SMPS design, and LED dimming control technologies. However, these technologies were developed and introduced to the market as individual modules and are not being researched and developed as a single lighting system. In the meantime, the Korea Ministry of Land, Infrastructure, and Transport implemented a policy that mandates the establishment of the Installation and Management Guideline of Road Safety Facilities to make dimming controls for outdoor luminaire mandatory to save energy.
The dimming control in LED lighting source is easy and offers the advantage of quick response, leading to increasing development of intelligent LED lighting systems that use human body-detection sensors for indoor lighting use, such as in buildings and parking lots. Unlike the indoor environment, numerous variables such as temperature, humidity, wind, light, and dust play a role in the outdoor environment, thus increasing the error rate when using non-contact type sensors for detecting human bodies and narrowing the range of detection. Therefore, there is an urgent need to develop reliable sensor modules with a broader detection range that takes into account the detection capabilities of non-contact type sensors through optimal design.
In this study, a multi-sensor system for human body detection equipped with passive infrared(PIR) and microwave(M/W) sensors was designed, and an intelligent outdoor LED street luminaire that reflected the behavioral pattern algorithm for efficient operation was verified. Accordingly, a reflector was designed for the PIR sensor and the detection range was estimated along with the M/W sensor. The estimated detection range of each sensor was tested. Moreover, an assumption was made based on the behavior pattern for the proposed algorithm for dimming control and control of lighting hours according to the behavior pattern under certain installation conditions. Furthermore, the actual operation of this luminaire was compared to that of the existing LED luminaire according to the proposed algorithm in order to analyze the energy savings effect.
The detection rate determined by the testing of the PIR sensor based on distance was 81 ∼ 97 %, whereas that of the M/W sensor was greater than 82 % at all distances. Additional PIR sensors were installed to make up for areas that were undetected in the initial design. Additional M/W sensors were also installed to enhance the detection efficiency and for applying the algorithm.
A detection angle of 180° and detection distance of 15 m were achieved under the installation conditions given for the outdoor LED luminaire. Moreover, the proposed algorithm enabled a 3-stage real time lighting control according to the user’s position and behavior. A comparison with the existing LED luminaire showed that the luminous efficiency can be improved by up to 9.0 % and energy savings of 41.3 % were possible. Energy savings through intelligent luminaire can be achieved by applying the multi-sensor system developed in this study to outdoor LED luminaire.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 viii
• 영문초록 x
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 필요성 1
• 1.2 연구내용 및 구성 4
• 제 2 장 LED의 구동특성 6
• 2.1 LED의 원리 및 구조 6
• 2.1.1 LED의 원리 및 구조 6
• 2.1.2 조명용 백색 LED의 발광원리 8
• 2.2 LED의 구동특성 11
• 2.2.1 LED의 전기적․광학적 특성 11
• 2.2.2 LED의 온도특성 12
• 제 3 장 옥외용 LED 등기구 15
• 3.1 옥외용 등기구의 분류 15
• 3.2 옥외용 LED 등기구 표준 16
• 3.2.1 한국산업표준(KS) 16
• 3.2.2 고효율에너지기자재 보급촉진에 관한 규정 16
• 3.2.3 공공기관 및 지방자치단체 표준 및 지침 17
• 3.3 옥외용 LED 등기구 연구동향 18
• 3.3.1 옥외용 LED 조명 부품 분석 18
• 3.3.2 LED 엔진 기술동향 19
• 3.3.3 제어시스템 기술동향 21
• 제 4 장 인체감지용 멀티센서 시스템 23
• 4.1 인체감지 센서의 동작원리 23
• 4.1.1 PIR 센서의 동작원리 25
• 4.1.2 M/W 센서의 동작원리 26
• 4.2 센서의 동작특성 실험 27
• 4.2.1 PIR 센서의 외란광 오동작 실험 27
• 4.2.2 M/W 센서의 사물움직임 오동작 실험 32
• 4.2.3 센서의 동작특성 실험 검토 34
• 4.3 인체감지용 멀티센서 시스템 설계 35
• 4.3.1 PIR 센서의 규격 35
• 4.3.2 PIR 센서의 리플렉터 설계 36
• 4.3.3 PIR 센서의 감지영역 예측 41
• 4.3.4 M/W 센서의 규격 44
• 4.3.5 M/W 센서의 감지영역 예측 46
• 4.3.6 멀티센서 모듈의 감지영역 예측 47
• 4.4 멀티센서 시스템의 감지 특성 49
• 4.4.1 멀티센서 모듈의 감지율 실험방법 49
• 4.4.2 멀티센서 모듈의 감지율 실험결과 50
• 4.5 멀티센서 시스템의 개선 60
• 4.5.1 PIR 센서의 개선 60
• 4.5.2 감지각이 확장된 멀티센서 시스템 65
• 4.5.3 M/W 센서의 개선 67
• 4.5.4 멀티센서 시스템의 감지영역 예측 70
• 제 5 장 옥외 LED 보안등기구 지능화 검증 73
• 5.1 보행자 행위패턴 기반 점등제어 알고리즘 73
• 5.1.1 멀티센서 시스템의 동작 순서 73
• 5.1.2 행위패턴 시나리오 74
• 5.1.3 멀티센서 시스템의 점등제어 알고리즘 76
• 5.2 옥외 LED 보안등기구 지능화 검증 77
• 5.2.1 검증용 LED 보안등기구 제작 77
• 5.2.2 지능형 LED 보안등기구 감지실험 79
• 5.2.3 지능형 LED 보안등기구 광특성 평가 80
• 5.2.4 지능형 LED 보안등기구 조도 시뮬레이션 81
• 5.2.5 에너지 절감 효과 분석 82
• 제 6 장 결 론 86
• 참고문헌 90