PoE 기반 스마트 커넥티드 조명의 혁신
2022년 08월 26일
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글 / 마이크 샌디크(Mike Sandyck), 온세미 프로덕트 마케팅 매니저



스마트 홈, 사무실 및 공장 설계자들은 건물 시설을 제공하고 관리하는데 사용되는 시스템의 효율성을 개선하기 위한 새로운 방법을 끊임없이 찾고 있다. 역사적으로 데이터 네트워크와 전력 네트워크는 각각 다른 기능을 수행할 수 있도록 별도로 설치되었는데, 이를 위해서는 건물 구조 내에 완전히 다른 두 종류의 케이블을 설치해야 한다. 그런데 PoE(Power over Ethernet)가 개발되면서 이제 일부 디바이스(카메라, 전화, 무선 라우터 등)가 전력을 데이터 케이블에서 공급받음으로써 AC 주 전원 케이블에 대한 필요성을 줄일 수 있게 됐다. 이러한 PoE의 잠재적 애플리케이션 분야로 ‘조명’이 주목받고 있다.


이 글에서는 커넥티드 조명 시스템이 스마트 빌딩 시스템의 배치 및 관리에서 수행할 수 있는 역할을 조사하고, 조명과 빌딩 자동화 간의 잠재적 관계를 검토한다. 또한 설계에 대한 표준 접근 방식을 검토하고 설계를 크게 단순화하면서 커넥티드 조명 시스템에 대한 새로운 애플리케이션을 활성화하는 방법을 살펴보고자 한다. 


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그림 1. 스마트 조명은 빌딩 자동화에 핵심적인 역할을 한다




커넥티드 조명 및 빌딩 자동화


건물에 들어가면 그 건물이 가정용이든 상업용이든 산업용이든 조명은 어디에서나 볼 수 있다. 최근에는 비효율적인 백열전구와 할로겐 전구가 저전력이고 훨씬 더 효율적인 LED로 대체되었다. 그러나 조명에 전원이 공급되는 방식은 크게 변하지 않아, 메인 케이블은 여전히 조명기기가 설치될 위치에 배선된다. LED는 DC 전원이 필요하므로 조명기기는 AC-DC 변압기와 필요에 따라 DC-DC 컨버터를 포함해야 하는데, 이는 LED에 필요한 전압과 함께 궁극적으로 전류를 제어해야 하기 때문이다. 효과적인 조명 솔루션을 제공하는데 있어서, 조명기기가 단순히 조명만을 담당한다고 여기는 접근 방식은 조명이 다양한 스마트 빌딩 기능을 수용하기에 이상적이라는 사실을 완전히 간과한 것이다.


어디에나 존재하는 조명 부품을 활용하는 첫 번째 단계는 조명 기기에 디지털 연결성을 제공하는 것이다. 개별 조명기기를 디지털화한 다음, 통합 시스템에 상호 연결함으로써 건물 전체의 IoT 애플리케이션을 호스팅하는데 이상적인 백본 역할을 할 수 있다. 


커넥티드 조명 시스템에서 모든 조명기기는 건물의 데이터 네트워크를 통해 양방향 데이터 통신을 가능하게 하는 유일한 IP 주소를 갖는다. 커넥티드 조명은 전기 및 데이터 통신 네트워크가 이미 구축되어 있는 집, 사무실, 공장 등에서는 IoT 데이터를 전송할 수 있는 가장 유력한 수단이다. 이러한 접근 방식을 통해 커넥티드 조명기기는 수많은 애플리케이션에서 다른 센서 기능을 호스팅할 수 있다. 


다양한 유형의 스마트 센서(온도, 습도, 근접도, 대기질 등)를 통합함으로써 커넥티드 조명 시스템은 건물 내 인원 및 기타 환경 측정 기준에 대한 데이터를 동시에 캡처할 수 있고, 이를 통해 스마트 빌딩 자동화 시스템에 실행 가능한 입력을 제공한다. 이 정보는 공간 최적화, 운영 효율성을 지원하고 거주자를 위한 건물 환경의 편안함을 극대화하는 데 사용될 수 있다. 시스템에서 수집된 입주자의 행동에 대한 이해는 에너지 관리 목적으로도 사용될 수 있다.


커넥티드 조명 시스템 구현하기


조명기기에 디지털 연결성을 제공하는 한 가지 방법은 와이파이(Wi-Fi)를 탑재하는 것이다. 그러나 무선 RF 신호는 위치 및 해당 위치와 가장 가까운 액세스 포인트 사이의 건축 자재 유형에 따라 다양한 수준의 감쇄가 있으므로 데이터 통신의 속도와 신뢰성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 


더 나은 접근 방식은 각 조명기기에 이더넷 인터페이스를 제공하는 것이지만, 이를 위해서는 Cat5/6 트위스트 페어 케이블을 각 조명 장치의 위치로 가져와야 한다. 이는 주 케이블 연결이 이미 계획되어 있다고 가정할 때 케이블 양이 두 배에 이르며, 관련 설치 비용과 노력도 증가한다. 


이상적으로는 커넥티드 조명 솔루션은 전원(LED, 카메라 및 스마트 센서용) 및 양방향 데이터 모두를 동일한 장치에서 원격 컨트롤러로 전달하는 케이블 하나만 있으면 된다. 이는 각 조명기기에 연결된 별도의 주 전원 케이블을 없앨 수 있는 상당한 이점이 될 것이다. 전원 장치에 DC 전압을 공급하면서 구현된 이더넷 표준의 속도로 네트워크 데이터를 전달할 수 있는 PoE는 이러한 목적에 있어 이상적이다.


완전히 통합된 솔루션


PoE 커넥티드 조명기기는 현재 LED 광원용으로 별도의 드라이버 IC를 사용하고, 이더넷을 통해 전원을 공급하기 위한 PoE 인터페이스 IC를 사용한다. 온세미의 NCL31010은 단일 패키지에 두 구성 요소를 통합하여 완전히 연결되고 관리되는 조명 시스템의 기반으로 사용할 수 있다.


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그림 2. 온세미의 NCL31010 PoE 인터페이스 LED 드라이버 



이 디바이스는90W 이상의 시스템 전원을 공급할 수 있는 PoE기준을 만족하며, IEEE802.3bt/at/af 기준에 대한 인증도 획득했다. 벅(Buck) LED 드라이버는 97%로 효율적이며 고대역폭 고선형성 아날로그 및 PWM 디밍을 영전류까지 지원하며 확산 스펙트럼 기술을 적용 전도 및 방사 EMI의 양을 줄여준다. 두 개의 보조 DC-DC 컨버터는 마이크로 컨트롤러 및 센서와 같은 주변 장치에 추가적으로 전력을 공급할 수 있다. 또한 이 디바이스에는 입력 및 출력 전류와 전압, LED 또는 시스템 온도, DC-DC 전압 및 전류를 측정하기 위한 고 정밀 측정 및 진단 기능이 포함되어 있다.


이 디바이스의 애플리케이션은 데이터 전송률이 낮은 가시광 통신(VLC)이다. 이 응용 프로그램에서 디지털 데이터는 조명기기에서 방출되는 LED 빛으로 변조되어 YellowDot과 같은 실내 위치 지정 시스템에서 위치확인용 비콘(Beacon)으로 사용될 수 있지만, VLC의 변조된 데이터는 사람의 눈으로 감지할 수 없다.


커넥티드 조명의 미래


PoE 기반 커넥티드 조명은 데이터 네트워크로 제어되고 데이터 케이블을 통해 전원이 공급되는 LED 조명기기를 사용하여 모든 유형의 미래 스마트 빌딩에 가장 유연하고 효율적인 조명 솔루션을 제공한다. 센서, 지능형 조명기기 및 지능형 제어 시스템의 조합을 사용하여 스마트 빌딩은 기존 조명 솔루션으로는 달성할 수 없는 수준의 편안함과 효율성을 제공한다. 스마트 빌딩 시스템 관리에 참여하는 건축 개발 회사 및 운영자는 건설 단계뿐만 아니라 건물의 입주가 끝나고 운영된 후에도 비용을 크게 절감하는 이점을 누릴 수 있다.

그래픽 / 영상
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