IoT로 인한 센서 기반 시스템의 설계 및 구현 방식의 변화

화석 연료 사용을 없애기 위한 움직임은 물의 흐름을 거슬러 올라가는 연어를 연상시킵니다. 수많은 방법에서 태양광 패널, 충전 컨트롤러, 배터리의 높은 비용과 같은 경제적인 이유로 인해 에너지 독립을 이루거나 탄소 배출량을 최대한으로 줄이지 못하고 있습니다. 그러나 기술의 발전 덕분에 흐름을 거스르는 데에 드는 노력이 곧 경감될 것 같습니다. 예를 들어, 그리드에 고정된 인버터를 사용하면 배터리, 충전 컨트롤러, 시설의 배선 변경 없이도 태양광 패널에서 에너지를 그리드에 다시 넣을 수 있습니다. 또한, 사물 인터넷(IoT) 덕분에 세계 어디서나 태양광 패널의 성능을 모니터링할 수 있습니다.

이 기사에서는 IoT가 센서에 의존하는 시스템과 센서의 설계 및 구현 방식을 변경하는 방법을 살펴봅니다. 저가의 분산된 센서를 배포하고 공유하면 더 정밀한 제어가 가능하며, 이 방법이 에너지 효율을 높이기 위한 사회적인 해결 방법이 될 수도 있습니다. 이 기사에서 언급한 모든 기술과 부품은 Digi-Key의 웹 사이트에서 온라인으로 확인할 수 있습니다.

클라우드 연결

수십 년 전부터 에너지 생산 및 분배 분야에서는 상태 및 제어 부분에 폐쇄 시스템을 사용해 왔습니다. 전용 무선 연결, 전화 회선, 시설간 케이블 연결을 통해 제어 센터와 원격 스위칭 또는 센서 스테이션에 폐쇄 시스템이나 네트워크를 조성했습니다. 이의 긍정적인 면은 조작이나 해킹을 하려면 실제 케이블이나 통신 연결을 현지에서 직접 조작하거나 방해해야 한다는 것입니다.

그러나 IoT와 클라우드 연결이 이 모든 것을 빠르게 변화시키고 있습니다. 석유, 액화 및 천연가스의 정제소, 보관 시설, 운송 시스템, 스위칭 스테이션(및 안전 모니터링과 제어 기능)이 모두 클라우드 방식 환경을 통한 완전 연결로 이행하고 있습니다. 마찬가지로 가정의 클라우드 기반 시스템도 원격 제어와 같은 장점을 제공할 수 있습니다. 여기에서는 스마트폰이나 태블릿을 사용해서 가정 및 시설의 주요 시스템에 접근한 후 센서 정보를 읽고, 에너지를 절약하고, 사람이 들어오기 전에 미리 준비하고, 사용하지 않는 서비스를 끌 수 있습니다.

가장 눈에 띄는 예는 원격 제어 온도 조절기입니다. 간단한 온도 센서를 마이크로 컨트롤러와 통신 네트워크에 연결하면 가정에서 특히 많은 전력을 소비하는 난방 및 냉방 장치의 에너지 사용을 줄일 수 있습니다.

학습 알고리즘으로 더 자율적으로 운영되는 설정도 가능하지만, 실제로 얻을 수 있는 이익은 온도를 어디서나 제어할 수 있을 때 생깁니다. 예를 들어, 학습된 동작을 기반으로 이번 주의 이 시간에 사람이 있을 것을 예상하고 난방 온도를 10도에서 21도로 올릴 수도 있습니다. 그러나 자기가 그 자리에 없을 것을 아는 사람이 직접 명령을 재정의해서 온도를 10도로 유지하면 하룻밤 사이에 집에 있는 모든 CCFL 전구에서 사용하는 것보다 많은 양의 에너지를 절약할 수 있습니다.

설계 솔루션의 예

IoT 스타일 연결의 가장 큰 장점은 동종 또는 이종의 센서와 시스템을 연결하여 기능을 공유하는 능력입니다. 예를 들어, 보안 시스템에서 초전기 적외선 센서(PIR) 및/또는 극초단파 기반의 동작 감지기를 사용해서 동작이 감지될 때 경보를 울릴 수 있습니다. 일반적으로 경보 시스템은 자체가 섬과 같은 폐쇄 루프를 이루고 있습니다(그림 1).

그림 1: 독립 시스템은 제한적인 기능을 제공하며 하드웨어의 중복에 의해 비용 부담이 가중되는 경우가 많습니다.

그러나 기본 기능이 완전히 다른 시스템과 연결하여 주요 센서를 공유하면 성능이나 기능을 희생하지 않으면서 자율성을 높이고 에너지를 절약할 수 있습니다. 두 개 이상의 독립 시스템에서 센서를 공유하면 중복을 줄이고 비용을 절감할 수 있습니다. 한 예로 센서 하나가 다른 시스템과 기능을 공유하는 시스템을 살펴보겠습니다(그림 2).

그림 2: 서로 관련이 없는 시스템을 서로 연결하면 이전에는 그중 어느 시스템에서도 달성할 수 없었던 새로운 층의 기능을 활용할 수 있게 됩니다. 그러면 IoT 분산 센서 및 제어 설계에 대한 아키텍처 면에서의 접근 방식도 달라질 수 있습니다.

이 예에서는 더 이상 보안등의 동작 감지기로 보안등을 작동하고 제어하지 않습니다. 대신 마이크로 컨트롤러에서 동작을 모니터링합니다. 투광 조명의 켜짐/꺼짐 링크로 더 이상 단순한 켜짐과 꺼짐을 결정하지 않습니다. 이 조명은 마이크로 컨트롤러 기반의 조광기로 작동합니다.

인공 지능 스타일의 알고리즘 방식 프로그래밍 기법이 이 솔루션의 기능을 서로 묶어 줍니다. 더 높은 인식 수준의 일부로서 이 시설에서는 몇 가지 정보를 "알고" 있습니다. 지금이 낮인지 밤인지 알고 있습니다. 주변 환경이 밝은지 어두운지 알고 있습니다. 방에 사람이 있는지 없는지 알고 있습니다. 다른 상태 두 가지도 중요합니다. 집은 현재 보안 모드가 켜져 있는지 아닌지(즉, 경보가 작동하는지)와 사람들이 깨어 있는지 또는 자고 있는지 알고 있습니다.

진리표와 비슷한 문제 해결 방식으로 수행할 동작을 결정할 수 있습니다(그림 3). 그러면 낮 시간에 비효율적인 에너지 소비를 방지하면서 다른 방식으로도 에너지를 절약할 수 있습니다.

그림 3: 논리 설계 문제와 마찬가지로 공유 및 분산 센서 어레이의 다중 출력 솔루션을 진리표와 비슷한 기능으로 정리할 수 있습니다. 시스템에서 프로그래밍된 알고리즘의 일부로 낮과 밤을 구분할 수 있으므로 규칙 기반 어설션에 밤낮에 관한 정보가 없어도 올바르게 작동할 수 있습니다.

보안등이 150와트를 소모할 수 있다고 해서 반드시 그만큼을 소비해야 하는 것은 아닙니다. 예를 들어, 30퍼센트 광도로 작동해도 이 조명은 안전을 위해 필요한 빛을 충분히 공급할 수 있습니다. 보안 모드에서 60퍼센트 광도로 전환하면 침입하려던 사람이 자기가 감지된 것을 알 수 있습니다. 경보 시스템을 강화 상태로 설정하거나 일정 시간 동안 비디오 DVR을 켤 수도 있습니다. 센서 데이터를 공유하면 에너지 절약 효과를 누적하면서 다른 시스템의 성능을 강화할 수 있습니다.

IoT와 클라우드 연결에 관해 중요한 부분입니다. 이 기능을 사용하면 시스템이 더 높은 수준에서 "생각"하고 실제로 처리할 문제가 있는 경우에만 개입할 수 있습니다. 이 접근 방식을 사용하면 거주자가 높은 수준에서 환경과 상호 작용을 하면서도 캡슐화된 기술로 전체적인 에너지 수요를 줄일 수 있습니다.

직관적인 예상 대신 센서 데이터를 사용할 수 있다는 점도 흥미롭습니다. 예를 들어, 건물에서 프로그래밍된 밤/낮 알고리즘의 일부로 해가 뜨고 지는 시간을 안다고 해서 그 데이터로 에너지 효율을 극대화할 수 있는 것은 아닙니다. 대신 Avago APDS-9008-020과 같은 주변광 센서를 사용하면 어두움의 임계 값을 더 정밀하게 선택하여 필요할 때에만 조명을 켤 수 있습니다. ROHM BD9251FV-E2와 같은 PIR 프리앰프 및 ON Semiconductor NCS36000DRG와 같은 PIR 컨트롤러 칩에 결합하면 TI의 CC3200R1M1RGCR과 같은 모든 저가 RF 마이크로 컨트롤러에서 차세대 IoT 기반 에너지 관리 센서에 이상적인 솔루션을 제공할 수 있습니다.

주택과 아파트도 공장처럼 최대 수요 부하를 넘지 않는 방식으로 작동하게 만들 수 있습니다. 그러면 고객이 실시간으로 부하를 제어할 수 있으므로 전력을 생성하고 분배하는 시설에서 부하를 더욱 정확하게 예측하고 산업 시설, 공공건물, 주택 등의 전력 소비가 미리 결정한 임계 값을 넘을 때 에너지 비용을 높일 수도 있습니다.

실시간 전류 소모와 같은 주요 정보를 이용할 수 있으면 스위치 부하를 제어하고 다른 시스템과 협력하여 서비스나 성능을 희생하지 않으면서 에너지를 절약할 수 있습니다. 이 기사가 보여주는 것처럼 엔지니어는 설계 방법, 센서 및 통신 기술 모두를 쉽게 사용할 수 있습니다.

이 기사에서 설명한 부품에 대한 자세한 내용을 보려면 제공된 링크를 사용하여 Digi-Key 웹 사이트의 제품 페이지에 액세스하세요.